碳纤维尤克里里共鸣箱体结构及音响特性研究.pdf

M发光失地乐器研究Instru碳纤维尤克里里共鸣箱体结构及音响特性研究文/闫宏晔摘要：碳纤维作为新型材料，因其高强度、高刚度、轻质量、耐腐蚀、耐久性等特性，应用于乐器制造领域具有较好优势。本文以碳纤维九克里里为例，对其结构和发声原理进行解构，并通过HEADArtemis对其进行声学品质测量，实验发现碳纤维尤克里里在响度、灵敏度、质量等方面都有出色表现，但是在持久性、情感性、圆润度等方面较木质克里里仍有差距。关键词：碳纤维尤克里里声学测量碳纤维作为一种新型材料，因其具有高强度、高刚度、轻质量、耐腐蚀、耐久性等特性，被广泛应用于航空航天、机械设备、建筑、交通、医疗等领域。在乐器制作和音响研究领域，性能良好的材料直接影响着乐器的声学性能和声音品质，以碳纤维尤克里里为例，通过对其进行声音测量和分析可以判断出碳纤维在乐器音响及性能方面的表现及特质。一、碳纤维的物理特质及其声学性能表现高强度、高刚度、轻质量、耐腐蚀、耐久性是碳纤维的显著特性。碳纤维拉伸强度比钢高几倍，坚硬度甚至高于铝和钛，自身密度较低，质量小，对酸碱盐等化学物质具有较好耐腐蚀性，出色的疲劳耐久性，使其长期使用而不易变形。在声学性能方面，因碳纤维均匀的结构，使其能够产生非常清晰、明亮的音色。在使用过程中，通过改变其制作过程中的参数（如纤维的排列方式、使用的树脂类型等）对其密度和弹性模量进行调整，从而可以根据需要定制乐器的声学性能。正是基于碳纤维的种种物理特质，使得以碳纤维为制作材料的乐器在各种环境条件下都能保持稳定的音质和音准，可以满足不同演奏环境的乐器音响需求，较传统的木质乐器有着更加显著的优势。但是碳纤维乐器也存在一些不足，如情感表达、持续时间等方面，还需要进一步优化。二、碳纤维尤克里里的结构与音色解析（一）碳纤维尤克里里的结构本文选取了ENYA品牌NOVAU系列2 3 寸碳纤维材质的尤克里里乐器为研究对象。琴身、指板、琴桥、上下弦枕均使用声学碳纤维一体压铸，琴弦为恩雅日产E6，哑光油漆工艺。特别需要提出的是，碳纤维尤克里里和木质尤克里里结构基本一致，唯独前者将主要的音孔移动至左侧板上方，让整个面板有了更大震动面积，从而带来更强的箱体气压，获得更好的共鸣效果，而所有的木质尤克里里都没有侧板音孔。-24-Musical Instrument Magazine乐器研究技术关地magazinestical（二）碳纤维尤克里里的发声原理尤克里里属于有指板的手拨类弦鸣乐器。根据声学结构分为共鸣系统、传导系统、弦振系统、调控系统和激励系统。当琴弦被手指（激励系统）激励时，琴弦（弦振系统）会被带离平衡位置，然后将弦放回，此时弦的张力和反弹力使弦以很快的速度向平衡位置反跳回来并越过其平衡位置，这样琴弦会因为惯性出现往返运动从而产生振动，琴弦产生的振动通过琴桥（传导系统）传递到琴身（共鸣系统），随后带动整个琴身共振，加强琴弦振动的声能扩散。碳纤维因具有较高的强度和刚度，吸音性较低，用于制作共鸣箱能够一定程度上改变乐器的共鸣特性和音色。三、基于HEAD对碳纤维尤克里里与木质尤克里里进行声学测量（一）总体实验设计。选取同一品牌同一尺寸相同售价且形制相近的两把碳纤维尤克里里和木质尤克里里，并都使用ENYA品牌的日产E6琴弦。为保证拨琴弦的作用力相同，本研究由同一演奏者进行演奏。为保证演奏每次声压误差不超过1 dB（在音乐演奏实验中，通常会进行多次重复实验，以获得更可靠的结果。由于实验条件和参与者的变化，实际上很难完全消除所有因素导致的声压级误差。因此，将声压级误差控制在1 dB以内可以认为是一种实际可行的范围，可以保持实验结果的稳定性和可比性），在实验设计上把声音量级测量放在第一顺序，测量结果也显示每次演奏声压误差没有超过1 dB，保证了后面测量实验的科学性。（二）实验方法。实验于封闭混响声场中进行，采用十点测量法，即半球型传声器阵列，选取1 0 个测量点等距离分布在半径为1 米的0.707m俯视图0.707m半球形区域内，每个测量点TD6设立一个声音采集通道，0.707mTR7记录激发分贝大于3 0 分贝的弹奏音。麦克风参数分别为：1 号通道为45.3 1 mv/pa，2 号通道46.7 7 mv/pa,3号通道50.1 1 mv/pa，4号通道47.3 1 mv/pa，5号通道54.32mv/pa，6 号通道44.6 6 mv/pa，7 号通道47.3 1 mv/pa，8 号通道47.8 6 mv/pa，9 号通道54.9 5mv/pa，1 0 号通道52.48mv/pa。每个通道距离声源距离均为1 m，1 0 号通道位于尤克里里声源上方（见图1）。（三）实验测量将软件中分析池中频率计权设置为适用声音分析的A计权，导出量级vs时间的图表，对比木质尤克里里与碳纤维尤克里里强弱弹奏4弦G4音的四个图像里十个通道的情况，阐释了两种材质的强弱两种弹奏方式的G4音的十个通道随着时间的变化情况，其中碳纤维尤克里里在1.1 2 s时的强力度激励下，声音的量级于1.1 8 s到达峰值，2 号通道数值为最高，8 0.3 dB，1 号通道次之为8 0.2 dB。碳纤维尤克里里1 s时弱力度激励下1.1 3 秒量级到达峰值，2 号通道最高为6 0.5dB，1 号通道为6 0.1 dB。木质尤克里里在0.9 8 秒弱力度激励下1.0 9 秒到达峰值，1 号通道为最高，47.8 dB，2号通道为47.1 dB。木质尤克里里在1.0 7 秒在强力度的激励下1.1 4秒到达峰值，1 号通道量级为7 5.4dB，3 号通道次之为7 3.4dB。这样可知碳纤维尤克里里中2 号通道的指向性和声音采集情况最佳，1 号通道次之。而木质尤克里里中1号通道的指向性和采集情况最佳。1 号通道位于演奏者右前方，2 号通道位于演奏者左前方，这表明了乐器的指向性与乐器的共鸣系统的朝向有关。为了实验的定量对比结果的准确性，同样考虑到1 号通道的价值和收集数据的对比性上，所以在接下里的分析中采用1 号通道作为标准通道进行数据的分析。（1）声音量级测量从图2 可以看到声音的相对响度和衰减的变化，其中G4图像碳纤维尤克里里在0.9 秒时被激励三次，分别于乐器杂志一2 5-主视图TD7ZTTD10TD50.707mTD8TD10TO90.587mT10.587m0.587m-TD5TD61.6m1mTD8TD40.7mTD3TD9*0.587m1.6mTR20.587m*麦克风通道简称为TD*麦克风直线距离声源均为1 m1.6m0.7mTD40.7mTD1TD2TD30.7m0.7m1.6mM发光关地乐器研究Instru1.3、1.2、1.1 秒到达峰值，数值分别为8 0 dB、78dB和7 9 dB；木质尤克里里在0.9 秒被激励三次，分别于1.2、1.1、1.1 秒到达峰值，数值分别为7 5dB、强力度下G4对比76dB、7 6 d B。E4图像中碳纤维尤克里里在0.9 秒被激励三次，分别于1.1、1.2、1.2 秒到达峰值，数值均为7 8 dB，木质尤克里里在0.9 秒被激励三次，分别于1.2、1.1、1.2秒到达峰值，数值为7 5dB、7 5.3 d B和7 5dB。从横坐标时间上碳纤维尤克里里的声音持续时间分别为G音0.9-6 s，共5.1 s，E音0.9-6 s，共5.1 s。木质尤克里里的持续时间为G音0.9-5s，共4.1 s，E音0.9-6.4s，共5.5s。由于木质尤克里里的E音在2.3 秒至6.4秒时会出现不谐和波动，所以也说明碳纤维尤克里里在声音的持续时间上要略优于木质尤克里里。从纵坐标上量级的数值可以分析出在相同力度下碳纤维尤克里里的声压级会略高于木质尤克里里。其中E音图像中在木质尤克里里的图像在2.3-6.4s阶段波浪式的变化也表明了碳纤维尤克里里的稳定性更好一些。由于三次弹奏的曲线都极其接近，后续的声学分析将采用第一次弹奏的声音分析为主。（2）频谱测量通过频谱测量可以观察出声音在一段时间内频域上的频谱特征。测量选取强力度弹奏中的A4和G4进行代表性分析。在图3 中A4的对比中看到木质尤克里里在1-3.6 秒时200频率强度由激励至200峰值再至消逝，包150含着1 6 0 hz至1 9 khz152的频率成分，而碳纤维尤克里里则是1-4.5s的时长包含着1 6 0 hz-15khz的频率成分。在G4的对比中可以看到木质尤克里里在1.1-3.7 s的时长包含着1 2 0 hz至1 9 khz的频率成分，碳纤维尤克里里则是1.2-5.3 s包含着1 3 0 hz-15khz的频率成分。从横坐标时间上对比，木质尤克里里的A、G 两音时长均为2.6 s，碳纤维尤克里里两音时长为3.5s和4.1 s，这样可以看到碳纤维尤克里里的持续时间要略长，再次印证了声音量级测量的结论。从纵坐标上也可以看出木质尤克里里的频率成分对比碳纤维尤克里里更为丰富，而从图像上看碳纤维尤克里里的频率能量的分布相比更为均匀。（3）FFT 测量笔者选取强力度弹奏中的E4和G4进行代表性分析，绿色曲线代表着木质尤克里里频谱特性，红色代表着碳纤维尤克里里频谱特性，两者在基音声压级相近的情况下，E、G 两音在2 0 0-26-Musical Instrument Magazine强力度下E4对比002001001002001001510152025303540455055650510152025303540455055965LAPSFUO强力度下A4对比2000强力度下E4对比1005002001000510152035303540455055#451520.0235000510152025303540455055965强力度下G4对比2001000强力度下G4对比20005000乐器研究技术关地magazinetical1000hz时碳纤维尤克里里的声压级要略强于木质尤克里里，但在1 0 0 0-2 0 khz时木质尤克里里响度要强于碳纤维尤克里里，说明了在低频带中碳纤维尤克里里的响度强于木质尤克里里，而在中高频带中木质尤克里里的响度要强于碳纤维尤克里里。对比图4中发现木质尤克里里的谐波要比碳纤维尤克里里更多，但碳纤维尤克里里的谐波分布和振幅衰减的变化相比要更加均匀。（4）特征响度测量如图5可以看出，弱力度演奏C和A的木质尤克里里和碳纤维尤克里里的响度对比，在C图像和A图像中0-2 4bark范围内碳纤维尤克里里的心理声学响度均高于木质尤克里里，这样就可以得出在相同弹奏力度下碳纤维尤克里里感知响度都普遍高于木质尤克里里。净证做0 50.53 3 22622202100210弱力度下C4对比12202224_1B:7612弱力度下A4对比102022综上，可以知道木制尤克里里音色更加丰富，能提供丰富且温暖的音响，在手感、音准和灵敏度方面都具有良好的演奏性能表现，但木质材料的不稳定性对于木质尤克里里的耐久性有着极大的挑战。碳纤维尤克里里具有较轻的自重，良好的强度和刚度，以及出色的耐久性和抗变形特性，音色上也更加明亮、清晰，声音的持续性和响度都优于木质尤克里里，但情感性表达和个性化音色需求方面还有待进一步优化。新的材质提供新的可能，如果能够优化碳纤维材料和制作工艺，从而实现模拟木质乐器声学特性的诉求也许是未来新的探索和机遇。M参考文献：1杨扬：木质乐器的声学特质研究 M，出版地：北京市，出版社：中国纺织出版社，2 0 1 9 年8 月，第7 8 页。2袁伟琦：碳纤维复合材料在乐器领域中的运用 J，艺术品鉴，2 0 2 0 年2 3 期。3韩宝强：音的历程一一现代音乐声学导论 M，出版地：北京市，出版社：人民音乐出版社，2 0 1 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