云杉木材共振板的振动特性与钢琴声学品质评价的研究

摘要

钢琴音板的质量在很大程度上决定了钢琴声学品质，在生产中，钢琴音板的选材主要依赖于技师的主观评判，这种方式不但效率低，而且科学依据不足，误差大，无法满足在大批量生产的条件下，以最适当的材料制作最多、最高品质钢琴音板的要求。 为能建立钢琴音板的客观选材方法和实现对钢琴共振板振动特性的客观评价，以 4种适合制作乐器音板的云杉属木材(俄罗斯远东红皮云杉、东北长白鱼鳞云杉、西藏林芝云杉及美国西加云杉)为研究对象，进行了从共振板素材 1)、共振板 2)，到音板 3)，直至钢琴产品的声学特性的追踪研究。 采用综合坐标法、综合评分法对共振板素材的综合振动性能进行区分，根据区分结果，每树种均选出区分度大的两组共振板素材(分别为第1组与第2组素材，对应为第 1块与第2块共振板，对应为第1号与第2号钢琴)，用以制备钢琴共振板；基于钢琴共振板的振动理论，分析了共振板的振动特性；将共振板制成钢琴后，采用主观评价、客观评价、生理心理指标评价方法对钢琴的声学品质进行评价；在综合分析共振板振动特性、钢琴声学品质之间的关系的基础上，建立钢琴共振板振动特性的客观评价方法以及钢琴共振板用木材的客观选取方法。 本文的主要研究内容和结果如下： (1)在实际尺寸木材振动特性检测的探索性研究基础上，对实际尺寸的钢琴共振板用木材振动特性进行检测，并采用综合分析的方法，实现对俄罗斯远东红皮云杉、东北长白鱼鳞云杉、西藏林芝云杉及美国西加云杉树种的试验样本进行振动特性的综合评价与区分，对每个树种均挑选出两组综合振动特性区分明显的共振板素材。 (2)将素材拼板胶合，形成共振板。分析了钢琴共振板基本振动理论，得出钢琴共振板自由振动的频率方程。根据自由振动的频率方程计算得出钢琴共振板x方向与y方向的弹性模量(MOE<,x>，MOE<,y>)，并用纵波传播速度方程计算得出钢琴共振板x方向与y方向的纵波传播速度(V<,Lx>，V<,Ly>，通过比较发现：同树种的两块共振板，无论是x方向，还是y方向，第2块共振板的弹性模量值、纵波传播速度基本要比第1块的大；所有的共振板，y方向的弹性模量(MOE<,y>)、纵波传播速度(V<,Ly>)均要大于x方向(MOE<,x>，V<,Lx>)。对共振板裁边后剩余的边角试件(45°斜纹理试件)进行力学性能分析，得出与共振板整板弹性模量值的分析结果较为一致的结论。 (3)在共振板上粘贴肋木，形成音板。通过肋木对钢琴共振板声传播速度影响的分析，结果表明肋木可显著提高共振板横纹理方向的振动传播响应速率。比较音板不同方向之间及同树种内两块音板的对应方向的振动响应时间发现，顺纹理方向的振动响应: 1)共振板素材：在本文中，共振板素材特指用于胶拼钢琴共振板的长条状木材单元。 2)共振板：在本文中，共振板是指由共振板素材斜向胶拼而成，未粘贴肋木的薄板。 3)音板：在本文中，音板是指共振板上粘贴肋木后形成的板，制成钢琴后，仍称为音板。以上儿个术语的含义只在本文范围内适用。 时间与横纹理方向之间相差不大，这主要是肋木起到了很好的增加横纹理方向振动传播速度的作用。 (4)利用上述4个树种各2组音板制作了8台钢琴。采用主观评价、客观评价方法对8台钢琴的声学品质进行评价，主观评价人员为从事钢琴演奏与教学工作多年的专家，客观评价的指标主要包括钢琴的音强、音长、动态范围及音色等。评价的结果表明：同树种的两台钢琴，第2号的钢琴声学品质客观评价指标值、音质主观评价项目得分基本都优于第l号。可认为，同树种的第2号钢琴声学品质优于第1号钢琴。 (5)以没有音乐专业背景的大学生群体为研究对象，以心率、血压、皮肤温度及呼吸几项指标为变量，分析了不同钢琴对受验者生理的影响。结果表明：与正常静息状态比较，听赏钢琴曲后，引起受验者的生理信号相应改变，表现为交感神经活动张力降低，迷走神经活动水平上升，自主神经活动状态发生改变，但尚未失去均衡性，综合表现为自主神经系统活动性降低，受验者精神处于松驰状态；比较受验者听赏同树种内两台钢琴演奏的曲子对受验者的生理影响可以表明，受验者听赏第2号钢琴时，交感神经活动张力比听赏第1号钢琴有所降低，而迷走神经活动水平上升，受验者精神处于更为放松的状态。 (6)从共振板弹性模量(MOE<,x>，MOE<,y>)、纵波传播速度(V<,Lx>，V<,Ly>)、共振板边部斜纹理试件弹性模量(MOE<,45x>，MOE<,45y>)及音板的振动响应时间(顺纹理振动响应时间T<,L>，横纹理振动响应时间T<,R>)4个方面分析了共振板的振动特性与钢琴声学品质的主观评价得分(总项平均得分、总体音质得分及计权得分)、客观评价指标(强奏音强值、弱奏音强值、音长、音色)之间的关系。共振板y方向弹性模量(MOE<,y>)、纵波传播速度(V<,Ly>)、共振板边部斜纹理试件弹性模量(MOE<,45y>)与主观评价得分、客观评价指标之间的相关关系大于x方向，其原因可能与音板上的琴弦排列与音板的y方向接近平行，或与y方向的夹角小于x方向的结构特点有关；主、客观评价指标与音板横纹理方向振动响应时间之间的相关性高于顺纹理方向的振动响应时间。因此，通过提高共振板弹性模量、纵波传播速度，尤其是y方向，可提高钢琴的声学品质：若能降低音板的横纹理方向的振动响应时间，以减小与顺纹理方向的声振动传播速度的差异，使整个音板在最短的时间内均匀振动起来，也可提高钢琴的声学品质。 (7)通过综合分析得出钢琴共振板的振动性能客观评价方法：测量钢琴共振板，或者直接测量钢琴共振板边部斜纹理试件的弹性模量值，主要是y方向弹性模量值；测量钢琴共振板的纵波传播速度，或者测量音板的振动响应时间，主要是y方向的纵波传播速度，或者横纹理方向的振动响应时间。 (8)通过综合分析得出钢琴音板用木材的客观选取方法：采用综合坐标法、综合评分法的综合分析方法对钢琴音板用木材的综合振动性能进行计算，参与计算的振动性能指标需要包括纵向的振动性能指标与横向或斜纹理方向的振动性能指标。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.1.1合理高效利用乐器共鸣板用木材的重要性

1.1.2当前我国乐器(钢琴)行业发展状况

1.1.3本研究的目的与意义

1.2乐器共鸣板用木材声学振动性能评价

1.2.1对振动效率品质的评价

1.2.2对音色的评价

1.2.3对发音效果稳定性的评价

1.3乐器共鸣板用木材声振动特性研究进展

1.3.1国内研究进展

1.3.2国外研究进展

1.4乐器(钢琴)共鸣板的振动特性研究

1.5钢琴声学品质研究

1.5.1钢琴声学品质的评价

1.5.2音乐(钢琴音响效果)对人体生理心理反应的影响

1.6目前存在的主要问题及发展趋势

1.6.1目前存在的主要问题

1.6.2发展趋势

1.7本研究课题的来源及主要研究内容

1.8本论文中术语及代号的说明

2试验材料与方法

2.1试验材料

2.2研究路线

2.3试验方法

2.3.1钢琴共振板素材的振动特性测定

2.3.2钢琴共振板振动模式测定

2.3.3钢琴音板振动信号响应时间测定

2.3.4钢琴声学品质的主观评价

2.3.5钢琴声学品质客观评价指标测定

2.3.6钢琴乐曲刺激下的心理生理反应实验

2.4主要试验设备

2.5本章小结

3钢琴共振板用木材振动特性评价与分选

3.1钢琴共振板用木材振动特性测定的基础研究

3.2钢琴共振板用木材综合振动特性区分

3.2.1综合振动特性区分方法的计算

3.2.2木材综合振动特性的区分

3.3不同树种间的钢琴共振板用木材振动特性比较

3.4钢琴共振板的制作

3.5本章小结

4钢琴共振板的振动特性

4.1钢琴共振板基本振动理论

4.2共振板振动模态的识别与分析

4.2.1共振板的振动频率归属

4.2.2共振板的弹性模量

4.2.3共振板的纵波传播速度

4.3共振板边部剩余试件(45°斜纹理试件)振动性能比较分析

4.4肋木对共振板振动响应速率的影响

4.5钢琴音板的振动响应时间分析

4.6钢琴的制作

4.7本章小结

5钢琴声学品质的主观评价

5.1主观评价现场环境

5.2主观评价表制定与主观评价原则

5.3演奏曲目、评价专家、演奏者与录音

5.4主观评价的数据分析

5.5本章小结

6钢琴声学品质的客观评价

6.1音强

6.2音长

6.3动态范围

6.4音色

6.4.1分音振幅值

6.4.2分音振幅极大值与极小值变化幅度

6.4.3分音振幅值逐阶变化

6.5本章小结

7钢琴声学品质的心理生理指标评价

7.1心率变异分析

7.1.1心率变异的分析方法

7.1.2心率变异时域分析

7.1.3心率变异频域分析

7.2血压变异分析

7.2.1听赏钢琴曲与静息状态的比较

7.2.2同树种内两台钢琴之间的比较

7.3皮肤温度变化分析

7.3.1听赏钢琴曲与静息状态的比较

7.3.2同树种内两台钢琴之间的比较

7.4呼吸频率变化分析

7.4.1听赏钢琴曲与静息状态的比较

7.4.2同树种内两台钢琴之间的比较

7.5本章小结

8共振板振动参数与钢琴声学品质之间关系初探

8.1共振板的振动参数与主观评价得分之间的关系

8.1.1共振板弹性模量与主观评价得分的相关性分析

8.1.2共振板纵波传播速度与主观评价得分的相关性分析

8.1.3共振板边部斜纹理试件弹性模量与主观评价得分的相关性分析

8.1.4音板的振动响应时间与主观评价得分的相关性分析

8.2共振板的振动参数与客观评价指标之间的关系

8.2.1共振板弹性模量与客观评价指标的相关性分析

8.2.2纵波传播速度与客观评价指标的相关性分析

8.2.3共振板边部斜纹理试件弹性模量与客观评价指标的相关性分析

8.2.4音板的振动响应时间与客观评价指标的相关性分析

8.3本章小结

9共振板客观评价与共振板用材客观选取的总结分析

9.1钢琴共振板振动特性的客观评价

9.1.1共振板的弹性模量

9.1.2共振板的声传播速度

9.2钢琴音板用木材的客观选取

9.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢