阮、月琴共鸣面板的振动特性1)

2011-07-02刘镇波李司单刘一星黄英来

东北林业大学学报 2011年12期

刘镇波李司单刘一星黄英来

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

阮、月琴是我国民族拨弦乐器中的重要乐器，具有悠久的历史。阮、月琴的共鸣面板一般由泡桐属木材制作，其中阮的共鸣面板一般由3～5块木材拼接而成，而月琴的共鸣面板一般由2块木材拼接而成。共鸣面板在乐器中主要起到振动能量的传播、美化及辐射的作用，是乐器的核心部件，其振动性能对乐器的声学品质起到关键的作用。

相对于民族乐器用材，学者们对于钢琴、小提琴等西洋乐器的共鸣板用木材的研究相对更为丰富，主要体现在共鸣板用木材的振动性能检测方法、不同树种木材振动性能的比较及选材等方面［1-12］。我国的民族乐器种类繁多，但关于民族乐器用木材的研究相对较少。张辅刚［13］开展了木管乐器用材——枫木的防裂、防变形研究。北京乐器研究所第二研究室以泡桐、色木、白松等树种为试件，通过抗剪、抗拉、静弯曲、冲击等实验比较了改性白胶乳液与鱼胶对共鸣板性能的影响［14］。佘亚明等［15］讨论了共振板的厚度变化对其振动性能的影响，认为在面板振动时反射波强的位置适当增加厚度，可改善乐器的声学品质。乐群等［16］主要从乐器用木材的干缩湿胀角度，探讨了降低乐器用材因干缩湿胀导致变形的方法，并论述了人造红木制作及木管乐器用材防裂防变形的方法。郑文珍等［17］从共振木材的特征、对音板及共振木材的要求及共振木材的机械性能和声学常数等几个方面对乐器用共振木材进行了简单的介绍。陈金凤［18］简单论述了木材作为乐器用材时的选材原则，并根据其它文献数据比较了泡桐、杉木、柏木等20种木材的声学品质。陈通分析了琵琶、阮乐器琴体中共鸣面板的振动特性［19-20］。

在民族乐器用材方面，前人的研究主要是针对木材的振动性能［21］，而对于乐器共鸣面板的振动特性研究尚少，但共鸣面板又是乐器的核心、灵魂，因此，开展相关研究对于乐器制造、乐器产品声学性能提高具有重要的意义。笔者主要以阮、月琴乐器的共鸣面板为研究对象，开展共鸣面板的振动特性研究。

1 材料与方法

1.1 材料

阮与月琴的共鸣面板均为圆形。阮的共鸣面板由3～4块兰考泡桐(Paulownia elongata)木材拼接，月琴的共鸣面板由2块兰考泡桐(Paulownia elongata)木材胶拼，然后均锯成直径为40 mm的圆形板。

1.2 模态实验

模态试验技术是在机械阻抗与导纳分析技术的基础上发展起来的。其求解途径是根据实测所得到的输入(激励力)与输出(响应)，求出反映两者关系的传递函数，然后按照拟合曲线最佳的判据来确定结构系统的特性，如:固有频率、振型、模态质量、模态刚度和模态阻尼等。固有频率可由频响函数获得，如图1(a)所示，具体可从实频曲线与横坐标的交点来确定，也可由虚频曲线的峰值所对应的频率确定。模态的振型系数可由频响函数的虚频曲线求得，由于实验采用单点激励，从虚频曲线获得振型系数通过标准化后即可代表共鸣面板的模态振型。

阮、月琴的共鸣面板为圆形，其振动是由不同方向的弯曲振动及扭转振动复合而成，为获得良好的振动效果，比较了各种边界条件下的振动频响函数，最终确定采用简单支撑的边界条件进行测量。测量原理示意如图2所示，共计测109个点。在本实验中采用脉冲锤激励(DYTRAN公司的5800B4)，传感器采集响应信号后经信号放大器放大后再传入FFT频谱分析仪(小野测器公司的CF-5220Z)。

图1 第r阶模态的频响函数

1.3 声速的测定

共鸣板中声传播速是反映乐器共鸣面板振动传播快慢及振动均匀性的一个重要指标，本研究采用表面波的方法从顺纹理、横纹理、与纹理夹角45°与135°4个方向测定共鸣面板的声振动传播速度。

图2 实验示意图

1.4 声辐射强度的测定

声辐射强度反映了共鸣面板将琴弦振动传递过来的能量辐射出去的能力，声辐射强度越大表明声能量损耗越小，所发出的声音更为饱满。本研究采用FFT、声级计测定共鸣面板在均匀力敲击下的声辐射能量指标。

2 结果与分析

2.1 振动模态分析

在本研究中，对阮、月琴共鸣面板振动模态测试的频率范围为0～1 000 Hz。通过对共振频率、振型模态的识别与分析，可以看出在1 000 Hz频率范围内，有些阶次的频率易于识别，如:阮的 50、135、236.25、307.5、345、435、642.5、737.5 Hz等;月琴的 56.25、111.25、170、322.5、371.25、438.75、570、707.5、880 Hz等。而有些阶次不易辨别，甚至缺失。在激励不同点时，各阶频率的清晰程度各有不同，若激励点正好处于某阶共振频率的振型节线处时，则该阶频率不易识别，相反，若激励点正好处于某阶共振频率的振型位移极值处时，则该阶频率清晰明显。图3为所测得的月琴、阮共鸣面板的振动振型。可以看出，除了共振频率为170 Hz左右对应的振型，阮与月琴各阶振型基本相同，月琴在共振频率为170 Hz呈现“+”型的振型，但阮面板在此频率附近不易测到相似的振型。虽然阮与月琴各阶振型基本相同，但对应的共振频率却存在差异。除了111.25 Hz的共振频率点(月琴)，基本上阮的各阶共振频率要低于月琴。这主要是因为阮是由3～4块板胶拼，而月琴为2块板胶拼而成，胶接界面的数量不可避免会影响共鸣面板的振动。

图3 月琴(阮)共鸣面板振动节线图

本研究所测得的共鸣面板振动模态，与陈通［20］对阮的研究结果有较大的差异。在陈通的研究结果中，面板的振动节点线更复杂，而且对应的共振频率相对也较高，这主要是由于测试的对象有所差异，本研究仅仅对共鸣面板进行分析，而陈通的研究是针对没有琴弦的共鸣箱体中的共鸣面板。

2.2 声振动传播速度的分析

共鸣面板声振动传播速度(v)的实验结果如表1所示。可以看出，顺纹理的声振动传播速度远大于其他方向，而横纹理的振动传播速度最小，其数值不到顺纹理方向的一半。45°与135°两个方向的传播速度比较接近，这是因为它们是对称的两个方向。阮乐器的共鸣面板在4个方向上的声振动传播速度均要小于月琴，其中横纹理方向相差最大，这可能是因为拼成阮共鸣面板的木材数量更多引起的。

表1 共鸣面板声传播速度

2.3 声辐射强度的分析

通过FFT分析共鸣面板各阶共振频率的频谱强度，结果如图4所示。可以看出，月琴与阮的共鸣面板在300～1 200 Hz频率宽度内，其振动频谱强度最大，而在300Hz以下或1 200 Hz以上，其各阶共振频率的频谱强度均较小，即在测定的频率范围内，共鸣面板的各阶共振频率的频谱强度随频率增大，呈抛物线的变化规律。从整体上看，阮与月琴共鸣面板的频谱强度变化规律基本一致，而且在数值上也比较接近，但通过声级计测得的月琴、阮共鸣面板平均声辐射强度分别为87.1、76 dB，即阮的声辐射强度越好明显小于月琴，这可能是因为两种面板采用的原材料都是泡桐，而且尺寸比较接近，但所使用的拼接木材数量不同。

图4 共鸣面板的频谱强度分析

3 结论

对于阮、月琴共鸣面板，在0～1 000 Hz频宽内，有些阶次共振频率较易识别，而有些阶次则不得辨别，对于阮，较易测得 50、135、236.25、307.5、345、435、642.5、737.5 Hz等阶共振频率;对于月琴，较易测得 56.25、111.25、170、322.5、371.25、438.75、570、707.5、880 Hz等阶共振频率。

除了共振频率为170 Hz左右对应的振型，阮与月琴各阶振型基本相同，但对应的共振频率却存在差异。

共鸣面板的顺纹理声振动传播速度最大，其值为横纹理方向的2倍以上，为45°与135°两个方向的1.6倍左右;阮乐器的共鸣面板在4个方向上的声振动传播速度均要小于月琴。

月琴与阮的共鸣面板的各阶共振频率频谱强度随频率增大，呈抛物线的变化规律，在300～1 200 Hz频率宽度内，其振动频谱强度最大，在数值上月琴与阮的频谱强度值也比较接近，但声级计测得的月琴的声辐射强度越好明显大于阮。

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