一种钢琴音板声振动与点振动特性测试方法及其专用设备

摘要

本发明公开了一种钢琴音板声振动与点振动特性测试方法及其专用设备。所述声振动与点振动测试方法将磁致伸缩、音频测量、振动测量和计算机频谱分析等现代技术应用于钢琴音板制作过程中，利用声传感器和振动传感器分别探测音板的整体声振动信号以及局部区域的点振动信号，然后通过计算机频谱系统，分析音板综合振动特性，实现定向对音板进行调律。该方法具有灵敏度高、测量快速准确、直观性强的优点，能够有效控制音板的音色，为钢琴音板声学品质的客观鉴定、评价和调律提供了科学的方法和手段。所述钢琴音板声振动与点振动特性测试专用设备主要包括音频扫频信号发生器、磁致伸缩音频换能器、测量传声器、加速度传感器、数据采集卡、专业频谱分析软件和计算机等。

说明书

技术领域

本发明涉及乐器生产制作与声学品质测试领域，特别涉及一种钢琴音板声振动与点振动特性测试方法和专用设备。

背景技术

前人的研究成果及实际生产经验业已表明只有少数的几种木材适合制作钢琴音板，其中云杉属木材是制作钢琴音板的最佳材料。现代立式钢琴和三角钢琴的音板，共有三部分组成，即共振板(由许多小板条胶拼的薄木板)、弦马(共振板的正面粘贴的方木条)、肋木(共振板的背面粘贴的和共振板木条数相同的木条)。音板的作用是将琴弦的振动能量通过共振机制有效地转化为空气的振动，向空间辐射声能，并美化其音色。音板的声学振动性能在很大程度上决定了钢琴的质量。

在传统的钢琴音板生产工艺中，从木材选料到共振板的制作，再到音板的最终成型，主要依赖于技师的观、掂、敲、听等方式，通过主观评判和经验，判断音板的声振动性能优劣，籍此进行调律，由于没有具体、系统的科学依据和测试工具，使得音板的振动性能以及由此决定的音色存在很大的不确定性；另一方面，木材作为一种共振发声材料，在改变其厚度或弧度时，它的振动特性也随之发生变化，也就是说木材的声共振性能在一定范围内是可以控制的，而现实的情况是在音板生产实践中，无从测定振动特性及其变化，音板一旦制成，即使发现在振动上存在缺陷，很难再对其进行调整。传统的制琴工艺使得钢琴音色的改善和质量的提高受到限制。

根据国内外文献和专利数据库检索，目前对乐器(钢琴)音板的声振动特性研究，集中于对适合制作乐器音板的木材单元的声学振动性能进行评价，很少涉及对已制作好的整块音板成品的声振动特性的研究，关于音板声振动特征的测试技术，尚没有此方面研究成果的报道。

发明内容

本发明主要解决钢琴音板制作环节中没有科学的声振动特性检测方法的问题，目的是为钢琴声学品质的客观评价和音板调律提供一个科学的测定方法和手段。在设计思路上，首先应用人工方法(音频换能技术)激励音板或共鸣板振动后，辐射出声能；然后使用音频测量技术探测空气的振动(反映音板整体的振动特性)，使用振动测量技术探测音板局部区域的振动；之后将声振动信号和音板局部振动信号输入数据采集卡，由计算机频谱系统进行数据处理，最后将两种形式的振动方式定量化，以图形化形式表现出来。本发明从本质上说是延伸了制作技师对声音振动和琴板振动的感知能力，作为一种辅助工具，对钢琴音板的定向调律和音色控制将起到重要作用。

本发明的技术路线包括以下四个方面：

1、人工激励振动源。利用磁致伸缩技术，激励音板产生两种形式振动：(1)频率随时间变化的扫频振动；(2)标准纯频率正弦波振动。

2、音板整体声振动特性的测试。利用音频测试技术，测量音板在扫频振动激励下形成的声波辐射，即音板发出的声音，该声波辐射实际反映音板整体对不同振动频率的响应能力。探测器以电信号形式输出，信号强度与声压(琴板振动响应能力)成正比。信号经数据采集和模数转换后，借助计算机频谱系统经快速傅利叶变换(FFT)和频域分析，以共振频率响应曲线或频谱图形式显示出音板的声振动特性。

3、音板局部区域振动特性测试。不同频率在琴板上振动响应位置不同，找到各频率振动在音板上的精确定位是振动测试的一项重要内容。首先由音频换能器产生标准纯频率正弦波振动，利用加速度传感器，感知音板振动时发生的微弱形变，并产生电信号，信号强度与该音板区域的振动强度成正比。信号经计算机频谱系统分析后，测量出琴板不同区域的振动幅度，以此确定琴板振动敏感点，即“穴位”。

4、音板定向调律。以标准钢琴或名琴为模板。首先测定标准琴音板的共振频率响应曲线或频谱图，然后在新琴音板制作过程中，借助音板整体振动和局部区域振动特性测试，通过不断修削琴板的厚度或改变音板的弧度，将新琴音板的共振频率响应曲线调整到与标准音板相同的状态，以达到定向调律的目的。

本发明为了解决上述技术问题采用的技术方案是：提供一种钢琴音板声振动与点振动特性测试方法和专用设备。所述钢琴音板声振动与点振动特性测试专用设备，包括信号发生器、功率放大器、音频换能器、测量传声器、测量放大器、振动传感器、电荷放大器、信号调理器、数据采集器、频谱分析软件和计算机，所述频谱分析软件安装在计算机上，所述信号发生器、功率放大器和音频换能器相连，所述测量传声器、测量放大器与数据采集器相连，所述振动传感器、电荷放大器、信号调理器与数据采集器相连，所述数据采集器和计算机相连。

根据本发明所述的钢琴音板声振动与点振动特性测试专用设备的一优选技术方案：所述信号发生器为扫频音频信号发生器，信号发生器的功能可以由计算机专用软件替代。

根据本发明所述的钢琴音板声振动与点振动特性测试专用设备的一优选技术方案：所述音频换能器为超磁致伸缩音频换能器。

根据本发明所述的钢琴音板声振动与点振动特性测试专用设备的一优选技术方案：所述振动传感器为加速度传感器，加速度传感器与电荷放大器或集成在一个装置内，或分开安装。

根据本发明所述的钢琴音板声振动与点振动特性测试专用设备的一优选技术方案：所述测量传声器为电容式传声器或驻极体静电传声器。

根据本发明所述的钢琴音板声振动与点振动特性测试专用设备的一优选技术方案：所述数据采集器为数字音频接口。

根据本发明所述的钢琴音板声振动与点振动特性测试专用设备的一优选技术方案：所述频谱分析软件运用FFT算法，即快速傅立叶变换法算法。

本发明还提供了一种钢琴音板声振动与点振动特性测试方法，所述钢琴音板声振动与点振动特性测试方法包括两项方法，即音板整体声振动特性测试方法和音板局部点振动特性测试方法，这两项方法或相互独立进行，或组合进行。

所述的音板整体声振动特性测试方法涉及到音频扫频信号发生器、功率放大器、磁致伸缩音频换能器、测量传声器、测量放大器、数据采集器、专业频谱分析软件和计算机，所述的音板整体声振动特性测试方法的实现包括如下步骤：

第一步：将音板或共鸣板固定在磁致伸缩音频换能器的接触面上；

第二步：扫频信号发生器或计算机软件产生一个频率随时间变化的扫频信号，由音频换能器激励音板产生振动；

第三步：音板振动辐射的声音被测量传声器接收，信号进入数据采集器，通过专业频谱分析软件进行计算和频谱分析后，显示音板的共振频率响应曲线或频谱图；

第四步：根据共振频率响应曲线或频谱图，判断分析音板总体的声振动特征。

所述的音板局部点振动特性测试方法涉及到音频扫频信号发生器、功率放大器、磁致伸缩音频换能器、加速度传感器、电荷放大器、信号调理器、数据采集器、专业频谱分析软件和计算机，所述音板局部区域点振动特性测试方法的实现包括如下步骤：

第一步：将音板固定在磁致伸缩音频换能器的接触面上；

第二步：扫频信号发生器或计算机软件产生一个标准纯频率正弦波信号，由音频换能器激励音板产生振动；

第三步：将振动传感器放置在音板的某一点上，音板振动引起的形变和位移被加速度传感器接收，转变为电信号，之后进入数据采集器，通过专业频谱分析软件进行计算和频谱分析后，显示测试区域的振动幅度；

第四步：反复移动传感器，根据计算机显示的不同测试区域的振动幅度，确定音板在该激励频率下的振动敏感点，即“穴位”。

应用上述两项振动测试方法，结合音板共振频率曲线和某一频率的振动敏感点即穴位的测试结果，通过不断改变音板的弧度及修削音板的厚度，使音板的振动特征发生变化，从而将音板的音色调律到最佳状态。

本发明的优点在于：将磁致伸缩、音频测量、振动测量和计算机频谱分析等现代技术应用于钢琴音板制作过程中，方法具有灵敏度高、测量快速准确、直观性强的优点，能够定向控制音板的音色，为钢琴音板声学品质的客观鉴定、评价和调律提供了科学的方法和手段。

本发明所述的方法和专用设备还可以应用于吉他、竖琴和琵琶等乐器共鸣板的制作和调律中。

附图说明

图1为本发明所述的钢琴音板声振动与点振动特性方法的原理图；

图2为本发明所述的钢琴音板声振动与点振动特性专用设备设计图。

附图标识：

1  音频扫频信号发生器        2  功率放大器    3  音频换能器

4  琴板       5  LC内装IC加速度传感器       6  ISK电容麦克

7  信号调理器            8  ICON专业火线音频接口

9  计算机频谱分析系统

具体实施方式

下面结合具体的实施例与说明书附图对本发明做详细说明。

1、钢琴音板声振动与点振动特性专用设备

本实施例提供的一种钢琴音板声振动与点振动特性专用设备，按照图1连接，原理如图2所示，包括信号发生器、功率放大器、音频换能器、测量传声器、测量放大器、振动传感器、电荷放大器、信号调理器、数据采集器、频谱分析软件和计算机，所述频谱分析软件安装在计算机上，所述信号发生器、功率放大器和音频换能器相连，所述测量传声器、测量放大器与数据采集器相连，所述振动传感器、电荷放大器、信号调理器与数据采集器相连，所述数据采集器和计算机相连。

依据图2，本发明对所使用的组件进行了优化选型，配置如下：

(1)音频扫频信号发生器：选用常州同惠--TH1312-20，该仪器为33/4位LCD显示、正弦波输出、信号失真小、稳定性好、频率范围覆盖整个音频范围。可手动调频，也可对数扫频，扫频起点、终点及扫频时间均可按需设置。

(2)磁致伸缩音频换能器：选用甘肃天星稀土功能材料有限公司加工制作的B15音频换能器，频响范围80Hz-15KHz，响应速度快可达到微秒级，控制精度达纳米级，能量转换率高达70％以上，声功率为15W。所述音频共振换能器为磁致伸缩音频换能器(又名为大磁致伸缩音频换能器)，专利号为00268460.8。

(3)加速度传感器：选用郎斯测试技术有限公司生产的LC119T内装IC压电加速度传感器，传感器与电荷放大器集成，灵敏度500mV/g，频率范围0.7-10000Hz，分辨率为0.00004g。

(4)数据采集卡：选美国ICON FireXon火线4入4出音频接口，带48V幻象电源和电信号前级放大功能。

(5)计算机频谱分析系统：由专业软件和计算机组成。专业频谱分析软件运用FFT算法，即快速傅立叶变换法算法，本装置采用美国SoundTechnology公司开发的FFT Spectalab anyalysis system(version 4.32)作为频谱分析软件。所述计算机用于专业频谱软件运行，进行数据运算以及显示分析结果，操作系统为windows XP Professional。

以上组成按照图1连接，即为本发明的琴板振动特性测试专用设备。

2、钢琴音板声振动与点振动特性方法的说明其及在调律中的应用

本实施例提供了一种钢琴音板声振动特性的测试方法，有关的技术原理见图2。所述钢琴音板声振动与点振动测试方法及在音板调律中的应用，包括如下步骤：

第一步：标准音板的制备。选择若干块音质较好(经专业人员主观判定)的钢琴音板，在低音弦马上设定1个测量点(A)，以中、高音弦马上设定2个测量点(B和C)，然后使用本发明所述的音板整体声振动特性测试方法，取得每一块音板的3个测试点的共振频率响应曲线A、B和C。对这些音板的曲线进行统计分析，确定一块音板的3个测试点的共振频率曲线(A₀、B₀、C₀)作为标准模板。

第二步：新音板的制作与振动特性测试。

(1)在共振板、肋木和弦与的木材的选料环节，除了进行木材传声速度、对数衰减系数、弹性模量和声辐射常数等指标的测试外，利用本方面提供的音板整体声振动特性测试方法，测量素材的声振动特性，作为选材的重要依据之一。

(2)音板制作完成后，在A、B、C三个测量点，使用音板整体声振动特性测试方法，取得新音板的三条共振频率响应曲线(A₁、B₁、C₁)，将这些曲线分别与标准音板的A₀、B₀、C₀比较分析，记录新琴板上振动异常、振幅较大的的频率点。

(3)由音频信号发生器产生纯频率正弦波信号，输入给音频换能器，在音板A、B、C三个测量点激励音板振动，使用本发明音板局部区域点振动幅度测试方法，借助振动传感器和计算机频谱分析，找到该频率的若干个振动点，即完成异常振动区域的定位测试。

第三步：新音板的调律操作。在异常振动区域定位测试完成后，使用刨具刮削该区域的音板厚度，使该区域的振动特征发生变化。这一操作过程应在音板整体声振动特性测试方法和音板局部点振动特性测试方法的监控下缓慢仔细进行，直到将新音板的三条共振频率响应曲线(A₁、B₁、C₁)调整到与标准音板的曲线(A₀、B₀、C₀)基本吻合，至此完成音板调律工作。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。