民族乐器用木质泡桐面板振动特性与模态分析

摘要

共鸣板对乐器的声学性能有着重要的影响，泡桐木材由于其良好的振动特性自古以来就被用作民族乐器（例如琵琶、月琴、阮等）共鸣板的制作材料。以往有关泡桐木材声学振动性能的研究仅局限于采用梁的振动理论对泡桐弹性模量、比动弹性模量、声辐射常数、声阻抗等几个最基本声学振动参数的测量与讨论，而对于由泡桐制作而成的乐器共鸣面板的声学振动特性研究尚少开展。
　　 本研究在利用FFT分析仪，声级计，加速度传感器、模态力锤等设备，基于梁的振动理论测定泡桐木材基本声学振动参数（弹性模量、比动弹性模量、声辐射常数、声阻抗、E/G值等）的基础上，同时对共鸣面板的声辐射、声传播特性等也进行了测定与分析，对泡桐加工而成的琵琶、月琴、阮等民族乐器共鸣面板进行振动模态分析。实验结果总结如下：
　　 1、泡桐的声辐射常数、E/G的值均高于云杉对照样，因此在发音的响度上要比云杉对照样优越，音色更加丰富多变。
　　 2、琵琶、月琴、阮用面板都具有良好的发音效果。月琴面板平均声强值为87.1dB，琵琶面板为79.7dB，阮面板为76.0dB，月琴面板声强最大值时的最大频值为800Hz，是三者里面频率最大者，琵琶面板对应的最大频值在620Hz-800Hz之间，而阮面板的多集中在620Hz，频值最小。在相同的激励条件和均匀的敲击力度下，频率值越大响度就越大，声强就会越大，因此月琴面板的声强值最大，琵琶次之，阮最小。
　　 3、琵琶面板的顺纹声速值为995.03m/s，月琴面板为1001.52m/s，阮面板为930.34m/s，横纹声速值依次分别为362.48m/s、461.22m/s、391.38m/s，斜纹45°方向依次为457.44m/s、593.66m/s、550.55m/s，斜纹135°方向依次为513.07m/s、658.87m/s、575.44m/s。顺纹声速均大于横纹，斜纹方向居中，正符合木材这种各向异性材料特点。月琴面板的各方向纹理对应的声速最大，琵琶面板除顺纹声速比阮面板的顺纹声速略大，其他纹理对应的声速均小于月琴、阮面板的声速，原因可能为两点：①琵琶面板的顺纹理方向尺寸比月琴、阮面板的要大很多，由声速理论可知，相同介质在尺寸占据优势时，声速传播受到其他因素干扰更小，传播更快；②琵琶面板在其他纹理方向上声速小于月琴、阮面板的声速，可能为形状的不同对声速影响显著，琵琶面板为不规则的梨形，月琴、阮面板均属于规则的圆形，在振动释放能量过程中，不规则的形状更易产生声波的散射，耦合等，能量散失的比较快，最终影响声速的传播。
　　 4、琵琶、月琴、阮用面板的振动节线图和模态振型图在多数相同的情况下也有少数不同之处。琵琶与月琴、阮面板振动模态的不相同主要原因在于形状与尺寸的不相同，琵琶面板是梨形，纵长为500mm，最大宽为320mm，厚度10mm，月琴、阮面板为圆形，直径为300mm～340mm，厚度10mm，不同的形状和尺寸导致琵琶与月琴、阮面板的振动方式和声辐射能量上都不相同。月琴、阮面板形状尺寸大致相同，它们之间振动模态的不同主要在于制作面板时的初始材料个数和胶接性能上的差异，月琴面板是由2块初始板材胶拼加工而成，阮面板是由3～5块初始板材胶拼加工而成，在胶的用量和胶接板材数量上不相同，并可通过振动节线图和模态振型图进行对比分析
　　 5、初始试材的声辐射参数与共鸣面板的声辐射参数具有一定的联系，受到形状尺寸等因素影响比较小。初始试材的顺纹声速与共鸣面板的顺纹声速不同，例如月琴面板的顺纹声速为1001.25m/s，初始试材为1183.50m/s，主要原因为两阶段材料的形状尺寸等不同，对振动特性有较大的制约和影响。
　　 本研究为民族乐器共鸣箱体声学振动性能研究奠定了基础，同时可对民族乐器共鸣板用材的客观选取提供一定的科学依据。