CN104864956A - 一种弦乐器动力学测量方法和测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弦乐器动力学测量方法和测量仪。该方法包括：1)利用输入信号驱动所述弦乐器的弦在磁场下振动，并获取弦乐器的弦的振动信号；2)根据不同频率的输入信号对应的振动信号的振幅，得到弦乐器的弦的振幅谱，根据振幅谱得到弦乐器的弦的动力学参数；3)根据不同频率的输入信号对应的所述振动信号的相位，计算振动信号与输入信号之间的相位差，根据相位差计算弦乐器的损耗因子；4)根据损耗因子得到弦乐器的共振吸收谱，根据共振吸收谱得到弦乐器的共鸣箱的动力学参数。本发明通过按照预定的输入信号驱动弦乐器的弦在磁场下振动以及检测弦乐器的弦的振动信号，分析得到弦乐器的共振吸收谱及振幅谱，得到弦乐器的动力学特征。

Description

一种弦乐器动力学测量方法和测量仪

技术领域

本发明涉及的是一种测量方法和测量仪器，尤其是涉及一种弦乐器动力学测量仪和测量方法。

背景技术

声学上，影响乐器音色的因素很多。对诸如弦乐器的弦乐器而言，各个组成部分的材质、材料组成、结构等都对其音色有重要影响。弦乐器音色研究需要测量弦乐器各个组成部分的动力学特性。在乐器声学检测方面，国内外经常使用电子校音器、频率计以及最常使用的频谱分析仪。然而，这些仪器主要测量乐器发出的声波的物理学特性，而对于乐器各个组成部分的振动模式和动力学参数，却很难测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种弦乐器动力学测量仪，旨在解决现有仪器难以测量乐器的动力学参数的技术缺陷。

本发明的另一目的在于提供一种上述弦乐器动力学测量仪的测量方法，包括以下步骤：

1)利用输入信号驱动所述弦乐器的弦在磁场下振动，并获取所述弦乐器的弦的振动信号；

2)根据不同频率的输入信号对应的所述振动信号的振幅，得到弦乐器的弦的振幅谱，根据所述共振吸收谱得到所述弦乐器的弦的动力学参数；

3)根据不同频率的输入信号对应的所述振动信号的相位，计算所述振动信号与所述输入信号之间的相位差，根据所述相位差计算所述弦乐器的损耗因子；

4)根据所述损耗因子，得到弦乐器的共振吸收谱，根据所述共振吸收谱，得到弦乐器的共鸣箱的动力学参数。

具体而言，吉他弦的振动满足波动方程为：

$u_{\mathrm{tt}}-\frac{\mathrm{Fv}}{E{\mathrm{\ρ}}_v}(G+i{G}^{\′})u_{\mathrm{xx}}={\mathrm{fe}}^{\mathrm{i\ωt}}\mathrm{\δ}(x-x_0)---\left(1\right)$

其中，fe^iωt为外加交变磁场应力，量纲为单位长度的力，G为拉伸模量，G′为损耗模量，F为弦两端的拉力，E为弦所用材料的杨氏模量，ν为弦所用材料的泊松比，ρ_v为弦所用材料的体密度，u为弦各点的横向位移，x₀为磁场力作用点的位置。吉他弦两端固定，因此满足边界条件：

$\left\{\begin{array}{c}u{|}_{x=0}=0\\ u{|}_{x=l}=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

波动方程(1)的特解为

$u(x,t)=\stackrel{\→}{A}{e}^{\mathrm{i\ωt}}=A{e}^{i(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\δ})}---\left(3\right)$

其中A为应变的振幅，δ表示应变落后于电磁应力的相位差。将(3)代入(1)，结合边界条件(2)，并考虑吉他弦本征振动频率为

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{\mathrm{n\π}\sqrt{\frac{\mathrm{Fv}}{E{\mathrm{\ρ}}_v}}}{l}---\left(4\right)$

，耗散因子

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{G^{\′}}{G}---\left(5\right)$

，则可得到：

$\tan \mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{Im}\left(\stackrel{\→}{A}\right)}{\mathrm{Re}\left(\stackrel{\→}{A}\right)}---\left(6\right)$

$A=\sqrt{{\left(\mathrm{Im}\left(\stackrel{\→}{A}\right)\right)}^2+{\left(\mathrm{Re}\left(\stackrel{\→}{A}\right)\right)}^2}---\left(7\right)$

其中

当应力的频率趋近于吉他弦的第m阶本征共振频率时，即ω→ω_m，(8)(9)求和项中的第n项达到最大值。由于该项远大于其他项，因此当ω→ω_m时，即应力的频率趋近于系统的第n阶本征共振频率时，吉他弦达到共振状态，振幅最大，在振幅频率谱上呈现共振峰。由于吉他弦有多个共振频率，因此吉他弦的振幅频率谱上呈现多个共振峰。根据共振峰的位置即可得到吉他弦的本征共振频率。

根据(6)(8)(9)式可以得到相位差tanδ与之间的关系，求方程的数值解即可得到损耗因子

计算不同频率下的损耗因子，即可得到共振吸收谱，进而得到吉他共鸣箱振动模式的动力学参数：

不考虑弦乐器弦的阻尼的前提下下，弦乐器的共振吸收谱满足

$\tan \mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{A_n}{{({\mathrm{\ω}}_n^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left({\mathrm{\γ}}_n\mathrm{\ω}\right)}^2}---\left(12\right)$

其中，ω_n为共鸣箱的第n个振动模式的共振频率，γ_n为共鸣箱的第n个振动模式的阻尼系数，A_n为比例系数。由(12)可知，当ω＝ω_n时，tanφ(ω)出现极大值，在共振吸收谱上以共振吸收峰的形式出现。当共鸣箱存在多个共振模式时，共振吸收谱上则出现一系列的共振吸收峰。通过对共振吸收峰的拟合，则可得到共鸣箱的一系列共振频率。

此外，本发明还提供了一种弦乐器动力学测量仪，包括起振装置和检测装置；所述起振装置包括磁体和信号发生器，所述磁体相对弦乐器的弦设置，所述信号发生器的输出端与所述弦乐器的弦连接；所述检测装置包括激光器、反射片和信号处理模块，所述反射片设于所述弦乐器的弦上，所述激光器发出的激光经所述反射片反射后，进入所述信号处理模块进行处理。

本发明的弦乐器动力学测量仪，还包括上位机，所述信号发生器包括依次连接的功率放大器和数据转换器，所述功率放大器的输出端与所述弦乐器的弦的两端连接，所述数据转换器与所述上位机连接。

本发明的弦乐器动力学测量仪，所述磁体为圆柱形的永磁体，所述磁体的端面与所述弦乐器的弦所在的平面平行。

本发明的弦乐器动力学测量仪，所述信号处理模块包括依次连接的光电池、光信号放大器、运算放大器和数据采集器，所述光电池接收所述反射片反射的激光，所述数据采集器与所述上位机连接。

与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果是：

1)本发明实施方式提供的弦乐器的动力学测量仪和测量方法通过按照预定的输入信号驱动弦乐器的弦在磁场下振动以及检测弦乐器的弦的振动信号，从而根据输入信号和振动信号分析得到弦乐器的动力学特征。

2)本发明实施方式提供的测量仪和测量方法作为测量弦乐器的各个组成部分振动模式的手段和工具，因而可以在弦乐器的音色研究领域和乐器制造领域的研究中得到广泛的应用。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种弦乐器动力学测量仪的结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的一种弦乐器动力学测量仪的起振装置的结构示意图；

图3是本发明实施方式提供的一种弦乐器动力学测量仪的检测装置的结构示意图；

图4是本发明实施方式提供的一种弦乐器动力学测量仪的结构示意图；

图5是本发明实施方式提供的一种弦乐器的共鸣箱固定座安装示意图；

图6是本发明实施方式提供的一种弦乐器的琴颈的固定座安装示意图；

图7是本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪中磁体固定装置示意图。

图8是本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪中激光器的固定结构示意图。

图9是本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪中光电池的位移微调装置的结构示意图。

图10是本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量方法的流程图；

图11是利用本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪和测量方法为吉他弦测量的振幅频率谱图。

图12是利用本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪和测量方法为吉他弦测量的共振吸收谱图。

图13是利用本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪和测量方法为吉他弦测量的共振吸收谱图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式做进一步说明。尽管本申请中以吉他作为示例进行说明，但本发明实施方式测量的对象包括但不限于吉他，可以是任意一种弦乐器。

参见图1，图1是本发明实施方式提供的一种弦乐器动力学测量仪的结构示意图。在图1示出的种弦乐器动力学测量仪包括起振装置和检测装置。图1中以吉他10作为示例，但在本发明的其他实施例中，弦乐器也可以是其他带弦的乐器，如小提琴等。

其中，起振装置包括磁体21和信号发生器22，磁体21相对吉他10的吉他弦11设置，信号发生器22的输出端与吉他弦11连接。检测装置包括激光器31、反射片32和信号处理模块33，反射片32设于吉他弦11上，激光器31发出的激光经反射片32反射后，进入信号处理模块33进行处理。

参见图2，图2是本发明实施方式提供的一种弦乐器动力学测量仪的起振装置的结构示意图。在图2示出的测量仪还包括上位机40。而信号发生器22包括依次连接的功率放大器221和数据转换器222。功率放大器221的输出端与吉他弦11的两端连接，数据转换器222与上位机40连接。在一些优选的实施方式中，磁体21为圆柱形的永磁体，磁体21的端面与吉他弦11所在的平面平行，从而至少将吉他弦11处于磁体21的磁场中。

参见图3，图3是本发明实施方式提供的一种弦乐器动力学测量仪的检测装置的结构示意图。图3示出的测量仪的信号处理模块33包括依次连接的光电池331、光信号放大器332、运算放大器333和数据采集器334。其中，光电池331接收反射片32反射的激光，所述数据采集器334与所述上位机40连接。

参见图4，图4是本发明实施方式提供的一种弦乐器动力学测量仪的结构示意图。在图4示出的实施方式中，该结构的吉他动力学系统测量仪包括起振装置和检测装置。

在起振装置方面，功率放大器221通过两条带夹头的导线通过夹头与吉他弦11的两端连接，然后，功率放大器221的输入端连接到数据采集卡50，数据采集卡50通过计算机接口与上位机40连接。检测装置由激光器31、反射片32、光电池331、光信号放大器332、差分放大电路333、数据采集器334。

本发明实施方式提供的动力学测量仪是利用强迫振动的方法，使得吉他弦11产生在10Hz-1KHz频段连续变频的振动，通过测量其振幅频率曲线和共振吸收谱，测得吉他弦11及共鸣箱的振动特征。振动特征包括本征振动频率、损耗等动力学参数。它提供了一种测量吉他各个组成部分振动模式的手段和工具，因而可以在弦乐器音色研究领域和乐器制造领域的研究中得到广泛的应用。

在本发明实施方式提供的动力学测量仪中，优选由上位机40通过软件(或硬件)产生可变频的正弦波电信号，经数据采集卡50的数据转换器222转换后，经功率放大器221进行功率放大后输入吉他弦11。在磁体21的磁场作用下，吉他弦11产生交变应力，交变应力驱动吉他11产生相应的交变应变。应变由四象限的光电池331接收后，依次输给光信号放大器332和差分放大电路333。差分放大后成为应变的电信号。

而交变应力通过傅里叶变换后即可得出交变应变落后于交变应力的相位差δ。整个测试过程均由计算机软件程序自动控制，在上位机40的屏幕上实时显示曲线tanδ-f(f为频率)，也可实时或测量完成后打印图形和保存数据。

在测试过程中，需要对吉他10进行固定。其中，吉他通过吉他共鸣箱固定座、琴颈固定座固定于光学平台70上，其面板垂直于光学平台，侧板最凸出处与光学平台70接触。

参见图5，图5是本发明实施方式提供的一种弦乐器的共鸣箱固定座安装示意图。在图5中，共鸣箱固定底座将吉他10的共鸣箱12固定在光学平台70上。固定支架101分别立于吉他10的共鸣箱12两侧，通过四颗M6的螺钉固定于带螺孔的光学平台70上。固定支架101支撑起吉他共鸣箱12，使共鸣箱12不在重力作用下倾倒。为进一步固定，两颗M10的螺钉穿过固定支架101上的螺孔，抵于吉他10的共鸣箱12上，防止共鸣箱12沿着切面方向滑动。这样，通过两个固定支架101、螺钉的支持力与摩擦力，共鸣箱12被固定于光学平台70上而不发生倾倒和滑动。

参见图6，图6是本发明实施方式提供的一种弦乐器的琴颈的固定座安装示意图。在图6中，上夹块131与下夹块132之间通过螺钉相连，琴颈13夹于上夹块131与下夹块132中间的缺口。拧紧螺钉可使上夹块131与下夹块132相互紧密结合，紧紧夹住琴颈13。为了增加上夹块131和下夹块132之间的作用力，另外一螺钉通过上夹块131的螺孔，抵于上夹块131上。根据杠杆原理，拧紧该螺钉可使得琴颈13更加紧密地固定。

参见图7，图7是本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪中磁体固定装置示意图。在图7中，磁体21通过磁力吸附在紧紧平头铁螺丝213上。平头铁螺丝213通过可调连接杆211上的螺孔安装于可调连接杆211。可调连接杆211高度可调，下端带有螺栓，固定于磁性底座212。当磁性底座212的开关打开时，整个固定装置便牢牢固定于光学平台70上。

参见图8，图8是本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪中激光器的固定结构示意图。在图8中，激光器31通过螺钉固定于激光器固定座313上。激光器固定座313的底端的连接杆套于可调连接杆312上，通过可调连接杆312侧边的螺钉314固定。可调连接杆312通过下端螺栓固定于磁性底座311。当磁性底座311的开关打开时，激光器31便牢牢固定在光学平台70上。

参见图9，图9是本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪中光电池的位移微调装置的结构示意图。在图9中，光电池331套在固定片3317的中央的小孔中。小孔大小与光电池331的大小大致相同。为了增加结合力，缝隙中填充环氧树脂以防止其松动。光电池331固定片3312、二维位移微调平台3313、连接片3314、一维微调平台3315和底座3316通过螺钉相连，并通过底座3316上的螺孔，用螺钉紧固于光学平台60上。垂直微调平台和水平微调平台可通过相应的微调旋钮分别调节垂直位置和水平位置，用这样的装置便可微调光电池的水平位置和垂直位置。

参见图10，图10是本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量方法的流程图。图10示出的测量方法包括步骤S101-S104。

在步骤S101中，利用预定的输入信号驱动所述弦乐器的弦在磁场下振动，并获取所述弦乐器的弦的振动信号。

在步骤S102中，根据不同频率的输入信号对应的所述振动信号的振幅，得到弦乐器的的共振吸收谱，根据所述共振吸收谱得到所述弦乐器的弦的动力学参数。

在步骤S103中，根据不同频率的输入信号对应的所述振动信号的相位，计算所述振动信号与所述输入信号之间的相位差，根据所述相位差计算所述弦乐器的损耗因子。在一些实施方式中，对所述输入信号和振动信号进行傅里叶变换，得到所述输入信号与所述振动信号之间的相位差。

在步骤S104中，根据所述损耗因子，得到弦乐器的共振吸收谱，根据所述共振吸收谱，得到弦乐器的共鸣箱的动力学参数。

参见图11、图12和图13，图11是利用本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪和测量方法为吉他弦测量的振幅频率谱图。图12是利用本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪和测量方法为吉他弦测量的相位差频率关系曲线。图13是利用本发明实施方式提供的一种吉他动力学系统测量仪和测量方法为吉他弦测量的共振吸收谱图。在图11中，在温度为25℃时，采用本申请实施方式提供的测量仪测得的吉他弦11受迫振动下的振幅频率谱。图13为本申请实施方式提供的测量仪测得的共振吸收谱图，在86Hz和110Hz处为吉他共鸣箱的共振吸收峰。

从上面涉及的实施方式可以看出，将吉他弦11置于恒定磁场中，在吉他弦11上通入一定频率的交变电流，交变电流在恒定磁场中受到安培力作用下，吉他弦11受迫振动，引起吉他共振系统的振动。测量系统将应力和应变由物理信号转化为电信号，经过模拟信号处理系统后放大、采集，转化为可由数字信号处理系统处理的数字信号。数字信号处理系统计算得到相位差，获得共振吸收谱，从而计算出共振频率、阻尼等相关动力学参数。整个系统在控制器的控制下进行。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (6)

1.一种弦乐器动力学测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)利用输入信号驱动所述弦乐器的弦在磁场下振动，并获取所述弦乐器的弦的振动信号；

2)根据不同频率的输入信号对应的所述振动信号的振幅，得到弦乐器的弦的振幅谱，根据所述共振吸收谱得到所述弦乐器的弦的动力学参数；

3)根据不同频率的输入信号对应的所述振动信号的相位，计算所述振动信号与所述输入信号之间的相位差，根据所述相位差计算所述弦乐器的损耗因子；

4)根据所述损耗因子，得到弦乐器的共振吸收谱，根据所述共振吸收谱，得到弦乐器的共鸣箱的动力学参数。

2.根据权利要求1所述的弦乐器动力学测量方法，其特征在于，所述步骤2)还进一步包括：

对所述输入信号和振动信号进行傅里叶变换，得到所述输入信号与所述振动信号之间的相位差。

3.一种弦乐器动力学测量仪，其特征在于其包括：起振装置和检测装置；所述起振装置包括磁体和信号发生器，所述磁体相对弦乐器的弦设置，所述信号发生器的输出端与所述弦乐器的弦连接；所述检测装置包括激光器、反射片和信号处理模块，所述反射片设于所述弦乐器的弦上，所述激光器发出的激光经所述反射片反射后，进入所述信号处理模块进行处理。

4.根据权利要求3所述的弦乐器动力学测量仪，其特征在于：其还包括上位机，所述信号发生器包括依次连接的功率放大器和数据转换器，所述功率放大器的输出端与所述弦乐器的弦的两端连接，所述数据转换器与所述上位机连接。

5.根据权利要求4所述的弦乐器动力学测量仪，其特征在于：所述磁体为圆柱形的永磁体，所述磁体的端面与所述弦乐器的弦所在的平面平行。

6.根据权利要求5所述的弦乐器动力学测量仪，其特征在于：所述信号处理模块包括依次连接的光电池、光信号放大器、运算放大器和数据采集器，所述光电池接收所述反射片反射的激光，所述数据采集器与所述上位机连接。