CN102486919A - 提琴的声学构型 - Google Patents

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Abstract

一种涉及包括小提琴、中提琴、大提琴在内的与古典提琴不同的提琴声学构型。这种声学构型的提琴是根据声学规律和美国音乐标准协会Z24.1-1936年规定的标准音高数据，均匀有序的规则和按低频近似反射原理设计的。这种提琴的面板和背板与传统的提琴有不同的走形。这种提琴内腔的反射面，反映了声波波长的变化规律。它的声波反射面是由国际音高标准数据定义的。它的声波反射面均匀有序，可以避免包括低频在内的声音信息的丢失。按照这种构型规则制作的提琴，可以在一般材料和工艺条件下，就有更好的音量和音色，并且在标准音高的演奏状态下，性能更好。

Description

提琴的声学构型
一、所属技术领域
本发明专利涉及一种包括小提琴、中提琴、大提琴在内的与古典提琴不同的提琴声学构型。这种提琴构型，是根据声学规律和美国音乐标准协会Z24.1-1936年规定的标准音高数据，均匀有序的规则和按低频近似反射原理设计的提琴声学构型。按照这种构型制作的提琴，可以在一般材料和工艺条件下，有更好的音量和音色，并且在标准音高的演奏状态下，性能更好。
二、背景技术
当今的提琴是沿用了古意大利名制琴师的琴型，至今已经三百余年。尼科洛·阿马蒂和安东尼奥·斯特拉迪瓦里的名琴，至今在世界各地馆藏。图1、图2.
传统的提琴主要由琴头、琴弦、琴码、音柱、低音梁、指板、面板、背板、侧板、首木、尾木和角木、琴弓组成。现代人模仿它制出的提琴，在音量和音色上，常常不能让人满意。模仿古典构型的提琴，往往存在的问题是，有的琴在发声时不能连续一致；有的琴已经失去了部分谐音，声音单调；有的琴在调到标准音高和演奏状态下，品质降低。沿用古典构型制出的好琴十分稀少。
尼科洛·阿马蒂和安东尼奥·斯特拉迪瓦里的琴型，最具代表性的特征是它的面板和背板的曲线走向就像一个具有大推力的飞机，起飞的飞行轨迹，经过很短的滑跑，就开始上升，上升的过程极短，又进入平飞。著名提琴制作家，安东尼奥·斯特拉迪瓦里几乎一生，从一六九0年到一七一三年都在改变自己的作品，追求一种最好的琴型。
提琴是一个发声器，又是一个共鸣箱。声音在腔体内的上下和谐振荡，主要靠面板和背板的反射面对声波的上下反射来完成。要产生和谐振荡是有条件的，反射面应该极富弹性、均匀、连续而光滑。各种声音对反射面的位置、面积分布和相对距离有不同要求。这就与面板和背板的内曲面走形有密切关系。要制作音量音色最好的提琴，有一个更合理的科学构型看来是至关重要的。
三、发明内容
为了追求更合理的科学构型，本发明是根据美国音乐标准协会Z24.1-1936年规定的标准数据、均匀有序的规则，形成的新走形的提琴腔体；与按声学规律发展的隐形低频反射面组成的提琴声学构型。这种声学构型的提琴，可以使提琴不丢失任何谐音，有更好的音量和音色，而且在标准音高的演奏状态下，性能更好。
为了创造提琴的声学构型，本发明根据声学规律和美国音乐协会Z24.1-1936年规定的标准音高的频率数据，计算了提琴的声波波长。
美国标准协会
Z24.1-1936年标准音高频率表
美国标准协会(表1)
Z24.1-1936标准音高频率表
上表中每八度音程，包括半音在内的十二个音为一组，后一组频率恰是前一组的两倍。由于声音在空气中传播的速度是可以知道的，所以我们根据频率计算了每个乐音的波长。
提琴各音的计算波长(表2)
Figure BSA00000367313100031
表2中波长和频率一样，也是十二个音为一组，后一组是前一组的二分这一倍。我们只要任意挑出一组，就代表了其他任何一组的变化规律，只是每一组的具体波长不同。在低音区，波长可以数米，在高音区波长只有几毫米。不同尺寸的提琴，可以从表中选出与提琴大小相匹配的数据来。
以小提琴为例，制造小提琴时传统使用的首木和尾木的高度为30.5毫米和32.5毫米。以此为参考，我们从表里选择了两组数据。
音名：#A98    A97    #G96    G95    #F94    F93    E92    #D91    D90    #C89    C88    B87
波长：29.968        33.638        37.757        42.381         47.775         53.397
(毫米)        31.750        35.381        40.381       44.901         50.400         56.572
音名：A97     #G96    G95    #F94    F93    E92    #D91    D90    #C89    C88    B87    #A86
波长：31.750         35.381         40.002        44.901         50.400         56.572
(毫米)       33.638         57.757         42.381         47.775         53.397        59.936
表3十二设计母音数据
我们把这两组音叫做设计母音
小提琴的全部乐音，包括半音在内，有三组半共四十一个。由于小提琴的实体很小，我们只能选出波长小的那一组，作为设计的母音。为了减少声音振荡的能量损失，我们要把设计母音的反射距离落实在一个波长上，也就是落实在合理的位置上即由触发板击起的周期声浪中压缩和舒张的临界点上——整数的波长上。同时还要按照均匀有序的规则，去决定面板和背板的走形。
令Lp、Lm、Lb为小提琴的首部、中部、和尾部长度。将首部和尾部均匀的分为十二等分。然后按设计母音的波长数据作出十二个矩形，并连接矩形的顶点，得到按波长变化规律的纵向走向图。图3
也可以用类似的方法，得到横向走向图。
此外，还要重新用设计母音数据来决定侧板，首木，尾木和角木的高度。用新的面板、背板、侧板、首木、角木和尾木来组成小提琴的腔体，形成小提琴的声学构型。图4
这种声学构型腔体特点是：
1、其面板和背板与传统的小提琴有不同的走形，其特征是从边缘开始，起点较低，平衡上升阶段较长，曲线终点较高，上升斜率始终为正。
2、它与当今小提琴的尺寸大小，量级一致。
3、它所构成的一系列声波反射面。反映了声波波长的变化规律。
4、它所构成的一系列声波反射面是由国际音高标准数据定义的。
5、它所构成的反射面是均匀有序的，可以避免声音信息的丢失。
6、它所构成的一系列声波反射面，对于十二个设计母音和邻近的十二个乐音，都可以落在正弦波的有利位置上，使振荡能量损失最小。
7、它所构成的腔体，还不能满足低频声音对反射面距离的要求。例如小提琴的G弦音，G35的波长是1040.414毫米，它只能在三十二分之一的波长上反射，振荡能量损失较大。
为了解决低频音反射的问题，本发明在构型方案中包括了低频反射面。这种低频反射面的原理是把所有低频的反射面近似的回归到声波的零波长上，具体的结构方案是在小提琴低音梁上的内侧，装一个弹性薄片，使它紧贴在面板下面，和面板保持较近的距离。这个弹性薄片在形状上要避开十二个设计母音的反射通道，又不要妨碍对音柱的安装。图5
这种低频反射面，是一种隐形装置，结构简单，面积不大，也不影响外观。实践证明，它对低音的音量和音色有明显的提升。
我们在二0一0年八月，用了按波长变化规律的标准音高数据设计的面板和背板组成的腔体，又在腔体内增设了低频反射面。用一般的材料和工艺，制出了很好的小提琴。它在标准音高条件下，声音柔和色彩丰富，高音明亮、低音厚实；发音均匀、响应灵敏。图6
四、附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1、图2是当今沿用的古典提琴，其特征是，它的面板和背板的曲线走向就像一个具有大推力的飞机，起飞的飞行轨迹，经过很短的滑跑，就开始上升，上升的过程极短，又进入平飞。
图3是按标准音高数据和均匀有序规则得到的按波长变化规律的提琴纵向走向。
图4是按标准音高数据和均匀有序规则得到的按波长变化规律的声学构型的小提琴腔体。其特点是从边缘开始，其起点较低，平衡上升阶段较长，曲线终点较高，上升斜率始终为正。
图5是本发明构型方案中的低频反射面。这种低频反射面的原理是把所有低频的反射面近似的回归到声波的零波长上。具体的结构方案是在小提琴低音梁(3)上的内侧，装一个弹性片(1)，使它紧贴在面板(2)的下面，和面板(2)保持较近的距离。这个弹性片(1)在形状上要避开十二个设计母音的反射通道，又不要妨碍对音柱的安装。
图6是验证琴，用以验证声学构型提琴的效果。
图7是按波长变化规律的中提琴面板和背板的走向图。
图8是按波长变化规律的中提琴构型图。
五、具体实施方式
以中提琴为例
中提琴传统使用的首木和尾木的高度为38.0毫米和39.5毫米。以此为参考，我们从表2选择两组数据，作为中提琴的设计母音。
音名：#F94    F93    E92    #D95    D90    #C89    C88    B87    #A86    A85    #G84    G83
波长：37.757         42.381         47.775         53.397        59.936         67.276
(毫米)        40.002     44.901         50.400    56.572    63.500    71.276
音名：F93    E92    #D91    D90    #C89    C88    B87    #A86    A85    #G84    G83    #F82
波长：40.002       44.901         50.400      56.572      63.500             71.276
(毫米)      42.381          47.775        53.397        59.936         67.276          75.515
有了这两组数据，就可以按照均匀有序的规则，去决定面板和背板的走形。
令Lp，Lm，Lb为中提琴的首部、中部和尾部长度。将首部和尾部均匀的分为十二等分。然后按设计母音的波长数据作出十二个矩形，连接矩形的顶点，得到按波长变化规律的纵向走向图。图7也可以用类似方法，得到横向走向。
还要重新用设计母音数据来决定侧板、首木、尾木和角木的高度。最后用具有新走形的面板、背板、侧板、首木、角木和尾木组成声学构型的中提琴腔体。图8
在腔体合成之前，应按照图5，在低音梁的内侧，装好低频反射面。该反射面是用固定木(4)连接在低音梁(3)上。弹性片(1)保持和面板较近的距离，但应避免在振荡中接触面板(2)。弹性片(1)在形状上要避开声音的反射通道，和不妨碍对音柱的安装。

Claims (3)

1.一种按声学规律、按标准音高数据、按均匀有序规律设计的声学构型的提琴，它与当今古典构型的提琴有不同走形，它的面板和背板的纵向走形的特征是，从边缘开始，起点较低，平稳上升阶段较长，曲线终点较高，上升斜率始终为正。
2.声学构型提琴与古典提琴的另一不同，是在提琴腔体内增加了低频反射面，这种反射面是一种隐形装置，结构简单、面积小、不影响外观。
3.本发明适用于小提琴、中提琴和大提琴。
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