CN103344324A - 一种小提琴整体声振动激振设备及频谱测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小提琴整体声振动激振设备及频谱测量系统和方法，激振设备包括音频信号发生器、功率放大器、超磁致伸缩换能器、琴弦牵拉臂和琴箱固定夹；测量方法引入了超磁致伸缩换能牵拉琴弦——激振琴码的方法，先用音频信号器控制超磁致伸缩换能器和琴弦牵拉臂，分别牵拉小提琴G、D、A和E四根弦，激发琴箱振动，然后利用声学测量和计算机频谱分析技术，生成频谱图。本发明模拟了小提琴演奏状态下琴码受琴弦振动牵拉而产生的水平方向扭摆振动和垂直方向交替振动的运动状态，使得测量环境更接近于小提琴真实演奏状态，提高了频谱测量结果的精确性和科学性。同时也为小提琴制作过程中音色调整、声学品质客观鉴定等提供了可行的技术途径。

Description

一种小提琴整体声振动激振设备及频谱测量系统和方法

技术领域

本发明涉及乐器制作与声学品质测试领域，特别涉及一种小提琴琴弦牵拉激振设备及整体声振动频谱测量系统和测量方法。

背景技术

随着计算机技术和数字信号技术在小提琴声学研究领域的应用，人们对小提琴的振动原理有了更深刻的认识。美国物理学家C.M.Hutchins使用有限元分析方法得到小提琴琴箱整体全息图的数据结果，2006年美国东卡罗莱纳大学George Bissinger博士等借助三维激光振动测量仪绘制了三把意大利名琴琴箱振动的三维动画图像，这些研究全面阐释了小提琴振动的过程及其声学原理，促进了现代频谱测量技术在小提琴制作过程中的应用和普及。

小提琴的振动原理十分复杂，从小提琴发声的过程来看，包括三种形式的振动，即琴弦振动→琴码振动→琴箱振动，其中琴弦是声音的源泉，是发声的基础；琴码是中枢，在国外又称为Bridge(桥)，它连接琴弦与琴箱，将琴弦的振动导入到琴箱；琴箱是放大器，它将琴弦和琴码振动的机械能转换为声能，向外辐射声波，发出声音。基于对小提琴发声原理的认识，近年来，国外学者设计了多种方法，借助计算机频谱测量技术，尝试测量小提琴的声音振动，其中美国制琴师Joseph Curtin设计的脉冲锤激励琴码——敲击声频谱测量的方法具有一定的代表性，其方法特征是直接测量装配好（演奏状态）的小提琴，先用脉冲锤敲击小提琴琴码的侧部，在冲力的作用下，小提琴两只琴码脚在面板垂直方向做交替振动，使琴箱发出声音。不难看出，这种方法忽略了琴弦的振动，激振的导入点为琴码，虽没有给琴码增加额外的质量，测量结果也基本上反映琴码和琴箱的复合振动，但这种测量方法还是有一定的局限性，人们在使用中发现，用脉冲锤从不同的角度敲击琴码，测量的结果有一定的差异，造成测量不确定性的原因在于：小提琴四根琴弦的张力在50磅左右，琴弦振动时，琴码在琴弦的牵拉下，既有前后扭摆的动作（琴弦方向），还有琴码脚上下交替的动作（面板垂直方向），Joseph Curtin的激振方法仅能使琴码在面板垂直方向做上下振动，而无法模拟琴码前后扭摆的振动，因此不能完全反映小提琴在演奏状态下整体振动的真实状况。

发明内容

Joseph Curin设计的脉冲锤激励琴码——敲击声频谱测量的方法存在一定的局限性和不足，不能真实反映小提琴在演奏状态下整体振动的实际状况。本发明在设计思路上主要是对其测量方法进行改进，主要解决两个关键点：一是改进激振方式，根据小提琴振动发声原理，激振后使琴码兼有前后扭摆和上下垂直的振动状态；二是改进测量方法，由于小提琴四根弦的张力不同，本发明采用了分别牵拉激振的测量方法，提高了测量精度。

本发明的技术问题包括以下三个方面：

1、激振点，即振动导入的作用点。根据小提琴的声学原理，振动的逻辑顺序为：琴弦振动→琴码振动→琴箱振动，因此激振点有三种方式，(1)直接激振琴箱方式；（2）激振琴码，通过琴码将振动导入琴箱，是一种间接激振方式，Joseph Curtin的设计就是采用的这种激振方式；（3）激振琴弦，模拟琴弦牵拉琴码的运动，将琴弦振动通过琴码的两种运动方式导入琴箱。这是最接近演奏状态的间接激振方式，这是本发明拟采用的激振方式。

2、激振方式。用一定方式牵拉小提琴琴弦，牵拉频率和位移幅度可人为控制。

3、声振动频谱测量。对激振状态下小提琴整体声振动进行频谱测量和数据分析。

本发明为了解决上述技术问题采用的技术方案是：提供一种小提琴整体声振动专用激振设备及系统和频谱测量方法。

本发明提供有一种小提琴整体声振动激振设备，包括音频信号发生器、功率放大器、超磁致伸缩换能器、琴弦牵拉臂和琴箱固定夹；所述音频信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与超磁致伸缩换能器相连；所述的超磁致伸缩换能器的输出顶杆与琴弦牵拉臂同向紧密固定，指向琴头方向；琴弦牵拉臂的另一端设有弦槽，弦槽安装琴弦后，使琴弦受牵拉的角度与正常演奏状态一致；所述琴箱固定夹用于将超磁致伸缩换能器与琴箱固定。

本发明所述的小提琴整体声振动激振设备的优选技术方案：所述超磁致伸缩换能器主要由稀土材料（TbFe2、DyFe2、SmFe2等）制成，频率响应范围为20Hz—20kHz，牵拉位移控制精度为10-6米；超磁致伸缩换能器和琴弦牵拉臂的作用是模拟小提琴演奏状态下，被测琴弦不同频率的振动及张力变化对小提琴整体声振动影响的物理环境。

本发明所述的小提琴整体声振动激振设备的优选技术方案：所述音频信号发生器为扫频音频信号发生器，音频信号发生器用于控制琴弦牵拉臂的牵拉频率，音频信号发生器的功能也可以由计算机专用软件替代。

本发明所述的小提琴整体声振动激振设备的优选技术方案：所述功率放大器的功率可人工调节，用于控制琴弦牵拉臂的牵拉位移幅度。

本发明提供的一种小提琴整体声振动频谱测量系统，包括小提琴整体声振动激振设备、测量传声器、测量放大器、A/D转换器和计算机声学分析系统；测量传声器置于小提琴F音孔上方；激振设备中的音频信号发生器发生的纯频率扫频信号经功率放大器放大，输入超磁致伸缩换能器后使输出顶杆振动，通过琴弦牵拉臂拉动琴弦振动，琴弦振动信号通过琴码传入琴箱；测量传声器接收琴箱振动声波，通过测量放大器放大后经A/D转换器转换成数字信号，计算机声学分析系统对数字信号处理后生成频谱图。

所述的计算机声学分析系统为包括FFT分析功能的计算机声学分析系统。

本发明提供的一种小提琴整体声振动频谱测量方法，包括如下步骤：

（1）首先卸除待测小提琴的腮托，将激振设备的琴箱固定夹固定在腮托位置；

（2）然后将被测弦固定在琴弦牵拉臂的弦槽中，同时调整琴弦牵拉臂的高度和角度，使被测弦受牵拉的角度与正常演奏状态一致；之后再调整小提琴的弦轴，将被测弦调到标准音高，此时G弦的张力与小提琴演奏状态时的张力完全一致；

（3）由激振设备中的音频信号发生器产生纯频率扫频信号，经功率放大器放大后，输入到超磁致伸缩换能器，将模拟信号转换成机械振动信号后通过琴弦牵拉臂传递给琴弦；琴弦牵拉臂在信号发生器和功率放大器以及超磁致伸缩换能器的共同控制下，在顺着琴弦指向琴头方向产生给定频率和预设位移幅值的运动，在其作用下，被测弦的张力发生周期性变化，此时琴码上部发生水平方向摆动，而下部的琴码脚则发生垂直方向的交替运动，在两种运行形式的作用下，琴弦振动被导入琴箱从而幅射声波；测量时，琴弦和指板之间放置少许棉花，以抑制琴弦共振；

（4）琴箱发出的声波被测量传声器接收，经测量放大器进行信号放大后，再进入模数转换器，使放大后的声波信号转变为计算机可以识别的数字信号，通过计算机声学分析系统进行计算和分析后，生成小提琴被测弦整体声振动频谱图；

（5）重复步骤（2）至（4），分别测量其它三根弦的频谱图。

本发明的优点在于：将超磁致伸缩换能技术、振动测量和计算机频谱分析等现代技术应用于小提琴整体声振动特征测试环节中，基于现代科学研究对小提琴振动发声原理的认识，引入了超磁致伸缩换能牵拉琴弦的激振方法，将激振点放在小提琴振动的最前端—琴弦，不仅模拟了小提琴演奏状态下琴码受琴弦振动牵拉而水平方向扭摆和垂直方向交替振动的运动状态，同时使得测量环境更接近于小提琴真实演奏状态，提高了频谱测量结果的精确性和科学性。此外，该方法为小提琴制作过程中音色调整、声学品质客观鉴定以及小提琴教学与演奏研究提供了一个可行的技术途径。

附图说明

图1本发明所述的小提琴声振动激振设备和安装示意图

图2本发明所述的小提琴整体声振动频谱测量系统和方法示意图

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、小提琴整体声振动激振设备

图1为小提琴声振动激振设备和安装示意图，激振设备包括音频信号发生器1、功率放大器2、超磁致伸缩换能器3、琴弦牵拉臂4和琴箱固定夹5；音频信号发生器1与功率放大器2相连，功率放大器2与超磁致伸缩换能器3相连；超磁致伸缩换能器3的输出顶杆与琴弦牵拉臂4指向琴头方向同向紧密固定在一起，运动时只能顺着琴弦拉伸，避免琴弦横向运动；琴弦牵拉臂4的另一端设有弦槽6，弦槽6安装琴弦后，使琴弦受牵拉的角度与正常演奏状态一致；琴箱固定夹5用于将超磁致伸缩换能器3与琴箱7固定。

依据图1，本发明对所使用的组件进行了优化选型，配置如下：

（1）音频信号发生器1：选用常州同惠--TH1312-20，该仪器为33/4位电压和频率同时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）超磁致伸缩换能器3和琴弦牵拉臂4：委托有关单位设计加工。超磁致伸缩换能器主要由稀土功能材料（TbFe₂、DyFe₂、SmFe₂等）制成，频率响应范围为20Hz—20kHz，牵拉位移控制精度为10^-6米；琴弦牵拉臂和超磁致伸缩换能器的输出顶杆固定在一起，使输出顶杆和琴弦牵拉臂的伸缩要顺着琴弦指向琴头方向。

2、图2为本发明所述的小提琴整体声振动频谱测量系统和方法示意图，测量系统包括小提琴整体声振动激振设备、测量传声器、测量放大器、A/D转换器和计算机声学分析系统；测量传声器置于小提琴F音孔上方10厘米处；激振设备中的音频信号发生器产生的纯频率扫频信号经功率放大器放大，输入超磁致伸缩换能器使输出顶杆振动，通过琴弦牵拉臂拉动琴弦振动，琴弦振动信号通过琴码传入琴箱；测量传声器接收琴箱振动声波，通过测量放大器放大后经A/D转换器转换成数字信号，计算机声学分析系统对数字信号处理后生成频谱图。

小提琴整体声振动频谱测量方法，包括如下步骤：

第一步：首先卸除待测小提琴的腮托，将激振设备的琴弦固定夹5固定在腮托位置；然后将G弦固定在琴弦牵拉臂4的弦槽6中，同时调整琴弦牵拉臂4的高度和角度，使G弦受牵拉的角度与正常演奏状态一致；之后再调整G弦的弦轴，将G弦的音高调到标准频率，此时G弦的张力与小提琴演奏状态时的张力完全一致。

第二步：牵拉激振小提琴琴码。由音频信号发生器1产生一个音频信号（纯频率扫频信号），经功率放大器2后，输入到超磁致伸缩换能器3，将模拟信号转换成机械振动信号后通过琴弦牵拉臂4传递给琴弦；琴弦牵拉臂4在信号发生器1和功率放大器2以及超磁致伸缩换能器3的共同控制下，在顺着琴弦指向琴头方向产生给定频率和预设位移幅值的运动，在其作用下，G弦的张力发生周期性变化，此时琴码8上部发生水平方向摆动，而下部的琴码脚则发生垂直方向的交替运动，在两种运行形式的作用下，琴弦振动被导入琴箱7从而幅射声波。测量时，琴弦和指板之间放置少许棉花，以抑制琴弦共振。

第三步：声振动频谱测量。琴箱声振动被测量传声器接收，经测量放大器进行信号放大后，再进入模数转换器，使放大后的声波信号转变为计算机可以识别的数字信号，通过计算机声学分析系统进行计算和频谱分析后，生成小提琴G₀弦整体频响曲线。

第四步：其它三根弦的测量。分别将D、A和E弦分别固定在琴弦牵拉臂的弦槽中，旋转琴头的弦轴，将各弦的音高调到标准频率（演奏状态），然后执行第二、三步的操作，分别生成D、A和E弦位置小提琴整体频响曲线(D₀、A₀和E₀)。

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。

Claims (6)

1.一种小提琴整体声振动激振设备，其特征在于：包括音频信号发生器、功率放大器、超磁致伸缩换能器、琴弦牵拉臂和琴箱固定夹；所述音频信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与超磁致伸缩换能器相连；所述超磁致伸缩换能器的输出顶杆与琴弦牵拉臂同向紧密固定，指向琴头方向；琴弦牵拉臂的另一端设有弦槽，弦槽安装琴弦后，使琴弦受牵拉的角度与正常演奏状态一致；所述琴箱固定夹用于将超磁致伸缩换能器与琴箱固定。

2.根据权利要求1所述的小提琴整体声振动激振设备，其特征在于:所述的超磁致伸缩换能器由稀土材料制成，频率响应范围为20Hz—20kHz，牵拉位移控制精度为10^-6米。

3.根据权利要求1所述的小提琴整体声振动激振设备，其特征在于:所述的音频信号发生器为能发生扫频信号的音频信号发生器。

4.一种小提琴整体声振动频谱测量系统，其特征在于：包括小提琴整体声振动激振设备、测量传声器、测量放大器、A/D转换器和计算机声学分析系统；测量传声器置于小提琴F音孔上方；激振设备中的音频信号发生器产生的纯频率扫频信号经功率放大器放大，输入超磁致伸缩换能器后使输出顶杆产生机械振动，并通过琴弦牵拉臂拉动琴弦振动，琴弦振动信号再通过琴码传入琴箱；测量传声器接收琴箱振动声波，通过测量放大器放大后经A/D转换器转换成数字信号，计算机声学分析系统对数字信号处理后生成频谱图。

5.根据权利要求4所述的一种小提琴整体声振动频谱测量系统，其特征在于，所述的计算机声学分析系统为包括FFT分析功能的计算机声学分析系统。

6.一种小提琴整体声振动频谱测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）首先卸除待测小提琴的腮托，将激振设备的琴箱固定夹固定在腮托位置；

（2）然后将被测弦固定在琴弦牵拉臂的弦槽中，同时调整琴弦牵拉臂的高度和角度，使被测弦受牵拉的角度与正常演奏状态一致；之后再调整小提琴的弦轴，将被测弦调到标准音高；

（3）由激振设备中的音频信号发生器产生纯频率扫频信号，经功率放大器放大后，输入到超磁致伸缩换能器，将模拟信号转换成机械振动信号后通过琴弦牵拉臂传递给琴弦；琴弦牵拉臂在信号发生器和功率放大器以及超磁致伸缩换能器的共同控制下，在顺着琴弦指向琴头方向产生给定频率和预设位移幅值的运动，在其作用下，被测弦的张力发生周期性变化，此时琴码上部发生水平方向摆动，而下部的琴码脚则发生垂直方向的交替运动，在两种运行形式的作用下，琴弦振动被导入琴箱从而幅射声波；测量时，琴弦和指板之间放置少许棉花，以抑制琴弦共振；

（4）琴箱发出的声波被测量传声器接收，经测量放大器进行信号放大后，再进入模数转换器，使放大后的声波信号转变为计算机可以识别的数字信号，通过计算机声学分析系统进行计算和分析后，生成小提琴被测弦整体声振动频谱图；

（5）重复步骤（2）至（4），分别测量其它三根弦的整体声振动频谱图。

Images