乐器声学测量—— 碳纤维吉他与木吉他

陈克昕

碳纤维作为新材料，生产技术日趋完善，应用领域也从工业逐渐扩展至乐器制作领域。相较于木材而言，这种新材料具备一定性能上的优势，但和天然的木材相比也有一定的不足。现如今木材资源日趋匮乏，在可持续性发展广为提倡的今天，可以确定的是更多的新材料和复合材料将被用于乐器制作。从新材料被应用到乐器制作领域以来，“革新派”热衷于这种新材料所赋予乐器的新音色，“守正派”坚决排斥将这种新材料应用至传统乐器制作中。两方观点的碰撞一直以来都很激烈，争论的焦点大部分都集中在音色差异这一方面。

近年来乐器声学品质越来越趋向于用客观手段对其进行全方面的测评与研究，本文通过超声波声速测量仪采集木吉他与碳纤维吉他的重要声学数据，对采用不同制作材料的同种乐器所产生的音色差异进行说明。至于音色优劣的问题，笔者认为应从声场、指向性、材料本身等更多维度展开更加复杂的测量。除此之外，主观评价、心理声学同样是不可或缺的重要因素，本文还不足以解答和评价。

“声学是物理学的一个分支，是一门既古老而又迅速发展着的学科。”在马大猷先生编著的《现代声学理论基础》一书中已经对声学进行了详尽的分类，乐器声学与乐律学都并列从属于音乐声学。乐器声学作为一门交叉性极强的学科，在学习者掌握大量理论知识的同时需要大量的实践积累。

一、吉他的声学特性

霍萨乐器分类法基于乐器声学的振动特征，较为全面地将乐器划分为弦鸣乐器、气鸣乐器、体鸣乐器、膜鸣乐器和电鸣乐器。吉他作为琉特琴属中的拨弦类弦鸣乐器，被广泛应用于流行、爵士、民谣、摇滚等各类音乐风格中。进入到20世后，由于吉他的音色独特且适用的音乐风格多种多样，便成为广为流行的乐器之一。在历经多次改革后，（原声）吉他可分为古典吉他、弗拉明戈吉他、平面吉他（民谣吉他）、拱面吉他（爵士吉他）四大类。

吉他的发声原理大致相同，当琴弦被激励时弦振动通过琴码迅速传递至面板，随之带动吉他腔体振动并传递至背板，声音通过板振动以及音孔辐射到琴体外部。我们知道，琴弦自身振动所发出的音量是极其微弱的，即便体积较大的钢琴亦是如此，这就需要借助琴码将弦振动传递给粘有音梁的面板，如同钢琴音板上的肋木一样，由于音梁的辅助作用，振动被迅速传递至整块面板。吉他面背板厚度为2.5mm左右，音梁在高效传递振动的同时又加固了较为脆弱的板体。不考虑制作材料等其他因素，弦码及音梁的性能对吉他来说是至关重要的。

同其他弦类乐器一样，吉他的振动模式为比较典型的耦合振动系统，对于低频共振来说，“需要面板、背板和封闭空气的耦合运动”。“在高频中，大多数声音是由面板辐射的”，此时的弦码尤为重要。对于不同种类的吉他，将至少产生一个强烈的共振。就吉他自身来说，材料选择（木材、弦材）、制作工艺（弧度、薄厚）、激励动作（拨、弹、扫、打等）、触弦位置、握持方式都会对吉他音色产生不同程度的影响。关于触弦位置对吉他音色的影响，我们需要知道弦振动是一个较为复杂的过程，其中包含横振动、纵振动、倍频振动、扭转振动四种状态，全弦在振动的同时其分段也在振动，从而产生基波与谐波。“如果在弦非中心的位置拨动琴弦，其振动的组合模式便会不同”。在琴弦的几分之几处拨动琴弦，此处的谐波将被抑制，由于谐波的组合与强度产生变化，音色也自然随之变化。钢琴对于击弦点的设置也是以此为原理，它对钢琴的音色设计起到了至关重要的作用。

二、测量准备

（一）测量对象

此次测量对象为价位相近的传统木制吉他41寸缺角Nathan T-440以及碳纤维吉他41寸缺角Enya x3，两把吉他琴颈、共鸣箱体形制相近。更换相同品牌琴弦——D’Addario达达里奥EXP16。主要测量面板数据，被测木吉他面板材质为西提卡云杉木。被测碳纤维吉他面板材质为含碳量95%以上的碳纤维，背侧板为HPL材料。

（二）测量装置

Nor150声级计。IEC61672-1，I级，符合IEC61672-1Ed.2.0(2013)精度要求。可选1/1倍频带和1/3倍频带滤波器符合IEC 61260(2014)I级精度要求。配有Nor1225自由场麦克风，频率范围3.5Hz-20kHz。Nor1209前置放大器，频率响应20Hz-20kHz，精度±0.1dB。MMF（KS94B）17001型振动传感器，压电集成电路（IEPE）型，灵敏度2.51mV/（m/s2）。LucchiMeter超声波声速测量仪。测量精度+/- 0.16μs。

（三）测量方法

1.音频数据采集

采集两把吉他音质时声级计摆放与琴体位置关系如图1测量场景所示，Nor150声级计固定至三脚架，防风罩平面垂直于吉他面板1米处。测量时仪器操作者向实验员发送指令，完成一次测量周期。激励时两吉他的触弦位置相同。

2.振动测量

为模仿吉他演奏时的打板技巧，保证打板力度相等，测量采用固定长度的带线小球以同等直线距离模拟打板轨迹落在面板常用的打板位置“A”点。振动传感器粘贴位置及激励球体触发距离如图1所示。将位置固定好后，小球距离两把吉他琴体“A”点直线距离360mm。两把吉他振动传感器同粘贴在“B”点。每次测量前实验员先将小球拉至标定位置，准备好后向仪器操作者发送指令完成测试。

图1 测量场景 实验员：孙诗琪

3.声速采集选择同一平面放置两把吉他，输入测量参数后进行声速测量，仪器测量数值稳定后记录，测量结果不稳定时将进行复测。

4.声场

本测量在封闭空间声场中进行。

三、数据采集及分析

在六弦空弦、五弦十七品、六弦十二品泛音及扫弦测量中皆采集0 —2秒数据。所有声压级数据均为等效平均声压级 。时域图像采集0 —8秒数据，为频率所在的1/3倍频带，横坐标为时间，纵坐标为dB（声压级）。频谱横坐标为Hz（频率），纵坐标为dB（声压级）。频谱图最下方“（ x）”括号中的数字代表经多少倍数缩放。表中的频率数值为泛音频带内最大的等效平均声压级。测量前将进行三次以上的预测量，确保数值稳定后进行正式测量。

1.六弦空弦

根据图2表格所示，碳纤维吉他基音比木吉他基音低6.5dB的情况下，第三泛音和第四泛音的声压级反而明显高于木吉他。声压级随泛音列级数增长而降低的幅度远低于木吉他。根据图3频谱图像可以看出，低频带无明显差异，在中高频带碳纤维吉他能够激起更多的泛音，且响度更大。

图2

2.五弦十七品

根据图2表格所示，同样在碳纤维吉他基音声压级低于木吉他的情况下，第一至第四泛音声压级反而比木吉他泛音声压级高，且衰减幅度更小。根据图3频谱图像可以看出，整体上碳纤维吉他对各频带的响应更加充分，且响度变化较小。而木吉他各频带响度变化较大，且衰减更快。

图3

3.六弦十二品泛音

根据图2表格所示，两把被测吉他基音声压级相差不大的前提下，第一到第四泛音的声压级皆高于木吉他。根据图3频谱图像可以看出低频带木吉他响度略大于碳纤维吉他，中高频带碳纤维吉他的响度反比木吉他更大，且响度变化较小。

4.C大三和弦扫弦

如图2表格所示 和 两音木吉他响度略大于碳纤维吉他，其余各音相差不大。根据图3频谱图像可以看出，低频带木吉他响度略大于碳纤维吉他。碳纤维吉他各频带曲线变化较平缓，中高频带碳纤维吉他的响度略高于木吉他。

5.一弦空弦时域特征

根据图2一弦空弦时域表格所示，同频带下碳纤维吉他0 —8秒衰减值低于木吉他。根据图3时域图像可以看出木吉他空弦0 —3秒衰减幅度较大。碳纤维吉他空弦0 —8秒衰减曲线相对平缓，衰减速度较木吉他更慢。

6.面板振动测量

在摄像焦距与小球绳子长度固定的前提下，我们利用慢镜头回放可以看出碳纤维小球弹起的距离要高于木吉他。两吉他振动频谱差异不大。

7.声速采集

根据图2表格测量数据可以看出整体上碳纤维吉他声速要快于木吉他。在两把吉他面板上部横向距离相等的情况下，碳纤维吉他声速比木吉他声速快2136m/s。面板左侧纵向距离相差2mm情况下，碳纤维吉他声速要比木吉他声速快1659m/s。面板右上到左下方向的斜向距离相差7mm情况下，碳纤维吉他声速要比木吉他声速快1882m/s。而背板和侧板声速差异不大。

四、结语

中，这一特征尤为明显。根据时域图像可以看出，碳纤维吉他衰减速度更慢、幅度更小、更接近于线性。通过观察对比声速数据，碳纤维吉他面板声速要明显快于木吉他。两把吉他在音色风格上产生差异，很大程度上是因为制作面板材料的不同。碳纤维为人工材料，在密度、结构、硬度等方面是可控可设计的，对比天然木材的密度更为均匀，所以振动更为规则。在背侧板声速数据对比中，选用HPL材料制作背侧板的碳纤维吉他与木吉他差异不大。

在进行音频采集的过程中笔者发现，即便经验再丰富的演奏者每次演奏相同音符的力度与速度在高精密仪器下也很难达到绝对统一，更何况还要考虑到“弹”“拨”“打”等一系列激励动作所发出的噪音，两项误差叠加将对测量结果产生不同程度的影响，同时对科学的定量分析造成困难。激励方式与激励层次对弹拨类乐器音色的影响是较大的。对于精度要求较高的乐器声学测量，设计或运用辅助工具是极其必要的。