CN103308155B - 钢琴音板声学品质综合评测系统及评测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢琴音板声学品质综合评测系统及评测方法，通过综合运用试验模态分析法、声学分析法及对参数评估来评测钢琴音板的声学品质，并通过对钢琴音板与弦耦合振动产生声音的客观参量进行分析比对，推得出音响特征与钢琴音板结构之间的关系。

Description

钢琴音板声学品质综合评测系统及评测方法

技术领域

本发明涉及一种钢琴音板声学品质综合评测系统及评测方法，属于钢琴生产制作与声学品质测试技术领域。

背景技术

机械振动模式下的耦合是指两个振动系统的策动力与被策动力之间存在紧密配合与相互影响，当在某一振动模态下振动输入时，导致另一振动模态下的响应。一般来说，耦合振动中的两个系统总要互相影响，而非与受迫振动相同的策动方影响被策动方较大，与之相比耦合振动更强调的是两个系统的相互作用。

从振动模式上看，钢琴的琴弦和音板的振动模式不同，分别属于两种不同的机械振动模式。弦振动是两端固定的弦所做的简谐振动，其频响曲线特征为窄带振动，即各谐波之间峰值分隔明显；而板振动是板克服自身劲力所做的运动，其频响曲线特征为宽带振动模式，各谐波之间还有振幅较小振幅的谐波与峰值相互配合。

当琴弦振动发音时产生周期性的策动力，这种周期振动通过弦码传到音板，使音板发生受迫振动。板振动将以琴弦的能量激发自身的频率振动。由于板的振动呈宽带振动特征，因此弦的各次谐波激发音板振动中的频率将能量放大，达到将音板振幅的作用；另外各次谐波激发音板振动频率的同时，由于各次谐波所激发的能量不同，导致音板对音色起到一定的调节作用。根据板振动理论，当音板振动时应在弦列策动下全频带响应弦振动，将共振时的的声音能力放大，并抑制有害泛音能量。此外，钢琴音板与各弦产生的共振峰、谷应在钢琴整个频段分布上是均匀的，这样高低音区的音质才会均匀。因此判断钢琴音板优劣与否的主要参数之一是通过对频响曲线的测量判断钢琴辐射能量的范围、大小及均匀度。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢琴音板声学品质综合评测系统及评测方法，对钢琴音板振动模态及与弦耦合振动产生声音的客观及主观参量进行分析比对，得出主观听觉与钢琴音板结构上的联系。

本发明的技术方案：一种钢琴音板声学品质评价系统，测量钢琴音板固有振动频率和测量钢琴弦板耦合特性共用一套专用设备，该设备包括力锤、压电式加速度传感器、电荷放大器、电荷放大器、FFT分析仪和CPU存储器，其中测量钢琴音板固有振动频率采用一条激励通道和一条响应通道，所述激励通道为力锤激励琴键发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器放大后传入FFT分析仪；所述一条响应通道为采用压电式加速度传感器与音板连接，响应信号经电荷放大器放大滤波后传入FFT分析仪，信号在FFT分析仪中进行分析处理后输入到CPU存储器中存储；测量钢琴弦板耦合特性采用一条激励通道和两条响应通道，所述激励通道为力锤激励琴键发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器放大后传入FFT分析仪；所述一条响应通道为采用压电式加速度传感器与音板连接，响应信号经电荷放大器放大滤波后传入FFT分析仪；所述另一条响应通道为采用音频接收器置于弦列上部空间，音频接收器接收到响应信号后直接传入FFT分析仪，上述信号在FFT分析仪中进行分析处理后输入到CPU存储器中存储。再对声音和振动信号同时进行主客观的分析。

一种钢琴音板声学品质综合评测方法，采用以下步骤：

（1）试验模态分析：

（a）测量钢琴音板的固有振动频率，以力锤激励琴键发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器放大后得到电压数值，该电压数值传入FFT分析仪获得相应的力的数值，响应通道采用压电式加速度传感器与音板连接，响应信号经电荷放大器放大滤波后传入FFT分析仪进行频谱分析，最后将分析数据输入到CPU存储器中存储；

（b）测量钢琴弦板耦合特性，力锤激励琴键发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器放大后得到电压数值，该电压数值传入FFT分析仪获得相应的力的数值；一条响应通道采用压电式加速度传感器与音板连接，响应信号经电荷放大器放大滤波后传入FFT分析仪进行频谱分析，最后将分析数据输入到CPU存储器中存储；

（c）测量钢琴声音品质另一条响应通道采用音频接收器置于弦列上部空间，音频接收器接收到声音信号后直接传入FFT分析仪进行频谱分析，最后将分析数据输入到CPU存储器中存储；

（2）声学品质分析：

（a）通过测量钢琴音板的固有振动频率先获取钢琴音板各音阶的振动频率及振动频响曲线，分析音板振动的宽带共振峰是否均匀，进而可得出音板音色是否均匀；

（b）在测量钢琴弦板耦合特性时分别取样琴弦在各音区的频率响应特征并作分析；

（c）通过分析音频接收器拾取的信号，对钢琴音响作波形和频谱的分析；

（3）参数评估：将钢琴音板的固有振动频率和琴弦在各音区的频率响应特征进行对比，分析得出钢琴音板在各音区与琴弦的耦合特征，将音板振动的频响曲线等参数与弦板耦合、声音特征对比，说明钢琴各音区的振动及音响特征。

本发明的有益效果：通过本发明可得出音板作受迫振动的振幅不仅和琴弦产生的力有关，还与琴弦的频率以及与共振物体自身的固有频率耦合程度有关；通过琴弦激发钢琴音板振动的方式以及直接从钢琴音板连接采样，可清楚、准确的显示弦板耦合状态下的振动频谱特征表现，并通过测量钢琴弦板耦合特性可判断出钢琴辐射能量的范围、大小及均匀度，进而得知钢琴音板的音质如何。

附图说明

图1为本发明测量钢琴音板固有振动频率的示意图。

图2为本发明测量钢琴弦板耦合特性的示意图。

图3为钢琴音板固有振动频率的频响曲线。

图4为琴弦激励下的钢琴音板在中音区的频响曲线。

图5为琴弦激励下的钢琴音板在高音区的频响曲线。

图6为琴弦激励下的钢琴音板在低音区的频响曲线。

图7为钢琴中音区F4,C4弦板耦合频响曲线。

图8为钢琴中音区F4,C4音响频谱图。

图9为钢琴中音区F4,C4波形图。

图10为钢琴高音区#C6弦板耦合频响曲线。

图11为钢琴高音区#C6音响频谱图。

图12为钢琴高音区#C6波形图。

图13为钢琴低音区#F2弦板耦合频响曲线。

图14为钢琴低音区#F2音响频谱图。

图15为钢琴低音区#F2波形图。

具体实施方式

本发明采用物理测量（音板振动）和数据分析（声学分析）相结合，来进行完整全面的系统研究，物理测量不仅局限于音板振动，还包括琴弦和音板共同作用下的弦板耦合振动的测量。

一种钢琴音板声学品质综合评测系统，测量钢琴音板固有振动频率和测量钢琴弦板耦合特性共用一套专用设备，该设备包括力锤2、压电式加速度传感器4、电荷放大器6、电荷放大器7、FFT分析仪8和CPU存储器9，其中测量钢琴音板固有振动频率采用一条激励通道和一条响应通道，如图1所示，所述激励通道为力锤2激励琴键1发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器6放大后传入FFT分析仪8；所述一条响应通道为采用压电式加速度传感器4与音板5连接，响应信号经电荷放大器7放大滤波后传入FFT分析仪8，信号在FFT分析仪8中进行分析处理后输入到CPU存储器9中存储；测量钢琴弦板耦合特性采用一条激励通道和两条响应通道，如图2所示，所述激励通道为力锤2激励琴键1发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器6放大后传入FFT分析仪8；所述一条响应通道为采用压电式加速度传感器4与音板5连接，响应信号经电荷放大器7放大滤波后传入FFT分析仪8；所述另一条响应通道为采用音频接收器3置于弦列上部空间，音频接收器3接收到响应信号后直接传入FFT分析仪8，上述信号在FFT分析仪8中进行分析处理后输入到CPU存储器9中存储。

本具体实施方式选择的是LC－2型号的力锤，配用的YDL－4力传感器参数如下：

。

本具体实施方式中使用的YD－9142压电式加速度传感器，采取双面胶带安装方法。主要技术指标如下：

。

本具体实施方式选择型号为AFT-0961的电荷放大器，技术参数如下：

。

音频接收器使用DPA4006麦克，属于全指向电容麦克，主要参数如下：

。

一种钢琴音板声学品质综合评测方法，采用以下步骤：

（1）试验模态分析：

（a）测量钢琴音板的固有振动频率，以力锤2激励琴键1发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器6放大后得到电压数值，该电压数值传入FFT分析仪8获得相应的力的数值，响应通道采用压电式加速度传感器4与音板5连接，响应信号经电荷放大器7放大滤波后传入FFT分析仪8进行频谱分析，频响曲线如图3所示，被测音板的前六阶振动频率如表1所示，最后将分析数据输入到CPU存储器9中存储。

表1

。

通过上表可以看出，最低频响频73.75Hz与钢琴最低音的基频27.5Hz相差较远，因此该音板的低频响应一般。钢琴音板振动的宽带共振峰较均匀，基本相差50Hz左右，因此音色应较为均匀。

（b）测量钢琴弦板耦合特性，力锤2激励琴键1发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器6放大后得到电压数值，该电压数值传入FFT分析仪8获得相应的力的数值；一条响应通道采用压电式加速度传感器4与音板5连接，响应信号经电荷放大器7放大滤波后传入FFT分析仪8进行频谱分析，取样琴弦在中音区、高音区和低音区的频率响应特征并作分析，频响曲线如图4至图6所示，最后将分析数据输入到CPU存储器9中存储。

（c）测量钢琴声音品质另一条响应通道采用音频接收器3置于弦列上部空间，音频接收器3接收到声音信号后直接传入FFT分析仪8进行频谱分析，最后将分析数据输入到CPU存储器9中存储。

（2）声学品质分析：

通过图4可以看出，中音区弦振动的特征明显。板对弦的谐波起到很好的共振作用。谐波清晰，板振动能量分布均匀。谐波从低次到高次谐波呈现递减排列，高次谐波板辐射能力较低次谐波呈减弱态势。前六次谐波内的板振动耦合特征明显。

通过图5可以看出，由于高音区琴弦距离音板边缘较近，因此板振动特征在高次谐波出并不明显，在5000HZ以下板振动特征明显。板的宽带振动特征明显，弦的窄带振动特征不明显。

通过图6可以看出，低音区泛音丰富。基频能量远远低于高次谐波能量，因为音板的最低阶频率为73.75Hz,与钢琴的最低音27.5Hz相差较远，这样的设计一来可以扩大钢琴音板的面积，尤其是钢琴音板椭圆形共振区域长轴的长度会增加，其共振辐射的能量和对低频的辐射能量都有所增加；二来是扩大了低音琴弦与钢琴音板边缘的距离，由于钢琴最低音琴弦靠近音板边缘，音板边缘又属于被钳制的边界条件，因此扩大低音琴弦与音板边缘的距离有利于与钢琴弦板的耦合振动。

另外，根据钢琴弦板耦合振动特性，可以得出激励钢琴振动的振幅对不仅钢琴辐射曲线有影响，激励时的频率对于钢琴音板振动模态和声音的辐射也具有很重要的影响。以下通过琴弦激发钢琴音板振动的方式，直接从钢琴音板连接采样，显示弦板耦合状态下的振动频谱特征表现。分别取样中音区、高音区和低音区频率响应特征，并作分析，结果如下：

由图7可见中音区弦振动的特征明显，板对弦的谐波起到很好的共振作用。谐波清晰，板振动能量分布均匀。谐波从低次到高次谐波呈现递减排列，高次谐波板辐射能力较低次谐波呈减弱态势。前六次谐波内的板振动耦合特征明显。图8和图9都是通过话筒拾取声音到数字录音机，再由GAMS和AdobeAudition软件分析得到的图形。图8中是F4和C4的频谱，两个音都显示出第一、第二谐波能量较高，按照频谱分析法可知，低次谐波能量大，声音的主观听感偏于清晰、透彻。与音板振动特性中弦振动的频谱相比，从三次谐波向上能量均呈减弱态势，这有可能是中高谐波受环境影响造成的。从波形上看，钢琴中音区波形的起振相对明显，与低音区相比有较为明显的衰减过程，稳定和保持的过程。将从音板直接拾取的振动信号与通过话筒拾取的声音信号对比，更加有利于说明音板振动特性与声音客观参数的关系。

如图10所示，高音区弦振动特征明显，低频带有明显的板振动参与。由于高音区琴弦距离音板边缘较近，因此板振动特征在高次谐波出并不明显，在5000HZ以下板振动特征明显。与弦板耦合频响曲线相比，＃A6音的频谱与频响曲线基本相似，如图10和图11所示，在低频区也有少量谐波参与振动，但能量较频响曲线中的谐波能量要小很多。从图12的频谱图中可以看出与中音区0.019s的起振相比，高音区起振时间为0.10s，衰减的斜率比中音区要大，也就是说能量损耗的更快。

如图13所示，低音区泛音丰富。基频能量远远低于高次谐波能量，因为音板的最低阶频率为73.75Hz，与钢琴的最低音27.5Hz相差较远，因此才会有一些著名钢琴厂家制造出在最低音额外加4个琴键的设计。类似设计一来可以扩大钢琴音板的面积，尤其是钢琴音板椭圆形共振区域长轴的长度会增加，其共振辐射的能量和对低频的辐射能量都有所增加；二来是扩大了低音琴弦与钢琴音板边缘的距离，由于钢琴最低音琴弦靠近音板边缘，音板边缘又属于被钳制的边界条件，因此扩大低音琴弦与音板边缘的距离有利于与钢琴弦板的耦合振动。如图14和15所示，＃F2的频谱图、波形图与弦板耦合特性曲线一样都呈现出了低音区泛音丰富的特点。使用上述所述的频谱分析法，可以得出看出，此音的主观听感是十分浑厚、丰富的。

总之，钢琴弦板耦合的特性研究是研究钢琴声音品质的重要部分，与声音分析相结合的钢琴弦板耦合特性研究是建立声音与振动之间的必要环节和重要手段。

Claims (1)

1.一种钢琴音板声学品质综合评测方法，其特征在于采用以下步骤：

（1）试验模态分析：

（a）测量钢琴音板的固有振动频率，以力锤（2）激励音板发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器（6）放大后得到电压数值，该电压数值传入FFT分析仪（8）获得相应的力的数值，响应通道采用压电式加速度传感器（4）与音板（5）连接，响应信号经电荷放大器（7）放大滤波后传入FFT分析仪（8）进行频谱分析，最后将分析数据输入到CPU存储器（9）中存储；

（b）测量钢琴弦板耦合特性，力锤（2）激励琴键（1）发出准脉冲信号，脉冲信号通过电荷放大器（6）放大后得到电压数值，该电压数值传入FFT分析仪（8）获得相应的力的数值；一条响应通道采用压电式加速度传感器（4）与音板（5）连接，响应信号经电荷放大器（7）放大滤波后传入FFT分析仪（8）进行频谱分析，最后将分析数据输入到CPU存储器（9）中存储；

（c）测量钢琴声音品质另一条响应通道采用音频接收器（3）置于弦列上部空间，音频接收器（3）接收到声音信号后直接传入FFT分析仪（8）进行频谱分析，最后将分析数据输入到CPU存储器（9）中存储；

（2）声学品质分析：

（a）通过测量钢琴音板的固有振动频率先获取钢琴音板各音阶的振动频率及振动频响曲线，分析音板振动的宽带共振峰是否均匀，进而可得出音板音色是否均匀；

（b）在测量钢琴弦板耦合特性时分别取样琴弦在各音区的频率响应特征并作分析；

（c）通过分析音频接收器（3）拾取的信号，对钢琴音响作波形和频谱的分析；

（3）参数评估：将钢琴音板的固有振动频率和琴弦在各音区的频率响应特征进行对比，分析得出钢琴音板在各音区与琴弦的耦合特征，将音板振动的频响曲线等参数与弦板耦合、声音特征对比，说明钢琴各音区的振动及音响特征。