CN106370293A - 小提琴整体声振动和固件振动的测量系统及分解方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小提琴整体声振动和固件振动的测量系统及分解方法。所述测量系统，包括小提琴激振设备、声传感器、声信号放大器、模数转换器、计算机声学分析系统、激光扫描前端、光信号放大器和转换器；所述激振设备中设置20Hz—11kHz和9.5kHz—21kHz两个频段的超磁致伸缩换能器。声传感器接收小提琴整体声振动信号，通过放大、转换、计算机处理生成小提琴整体声振动频谱图；激光扫描前端将激光聚焦后采集小提琴固件振动的光学信号，经过放大、转换、计算机处理生成固件振动频谱图；比较固件振动和整体声振动频谱图，分解得到多阶空腔振动频谱图。本发明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种可行的技术和方法。

Description

小提琴整体声振动和固件振动的测量系统及分解方法

技术领域

本发明涉及乐器的制作、声学测量与音色评价，特别涉及小提琴整体声振动和固件振动的测量系统，以及小提琴多阶空腔振动从整体声振动和固件振动中分解的方法。

背景技术

小提琴是人造的振动最和谐、声音最动听的乐器之一。随着人类对共振认知水平的提高，诸多专家、学者表现出对小提琴各声学部件的振动模态及其与整体声振动关系研究的兴趣。

分析研究小提琴各固件和多阶空腔的固有频率及耦合问题，将有助于借鉴小提琴整体声振动特性，调整各固件以达到预期音色；对民族乐器改革中高频突出低频较弱致使各乐器或各声部无法圆融等问题的研究也有借鉴意义。

自上世纪80年代美国物理学家C.M.Hutchins在克拉德尼声音图形的启发下使用有限元分析方法研究小提琴声学并在《science》杂志发表重要研究成果以来，诸多专家学者想方设法利用当代最新科技进行小提琴声学研究。如，2006年美国东卡罗莱纳大学George Bissinger博士等借助激光振动测量仪得到了琴体振动的三维动画图像；2008年美国制琴师Joseph Curtin使用脉冲锤敲击琴码以获取小提琴整体声振动参数；2009年王宏伟申请了发明专利《一种提琴琴板定音与琴箱装配调音方法和专用设备》，首次使用了超磁致伸缩换能器；2013年杨阳利用超磁致伸缩换能器申请了发明专利《一种小提琴整体声振动激振设备及频谱测量系统和方法》、实用新型专利《一种小提琴空气峰频率测量装置》和《一种小提琴整体声振动激振设备及频谱测量系统》等。也有专家对小提琴声学测量的激励方式进行了关键性的改进，如郭小渝的《非接触式声压激振装置》等。

从声学结构上讲，小提琴振动系统包括琴弦振动系统和琴箱振动系统，琴箱振动系统将从琴弦传入的振动信号放大。琴箱振动系统的振动构件包括小提琴空腔、音板(即面板、背板和侧板)、琴马、指板和琴头，小提琴整体声振动信号是其多阶空腔与音板、琴马、指板和琴头等固件共同耦合的结果。

事实上，音板等固件和空腔振动有其多阶特性，现已探明的仅是低阶峰值，如空腔的一阶为270-290Hz，音板的一阶为B1-：400Hz-460Hz和B1⁺：510Hz-560Hz。

中国专利201310251305.5《一种小提琴整体声振动激振设备及频谱测量系统和方法》，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，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。但是，其还不能实现小提琴整体声振动的高精度测量，也不能实现非接触式固件振动测量和多阶空腔振动从整体声振动中分解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小提琴整体声振动和固件振动的测量系统及多阶空腔振动的分解方法，以实现音板等固件各阶次固有频率的非接触式精准测量和多阶空腔振动从整体声振动中分解，进而结合空腔的形制、结构，分析其声学特性及空腔与固件的耦合。

为实现上述目的本发明提供如下技术方案：

一种小提琴整体声振动和固件振动的测量系统，包括小提琴激振设备、声传感器、声信号放大器、模数转换器、计算机声学分析系统；特征在于还包括激光扫描前端、光信号放大器、光电信号转换器、小提琴固定支架；所述的激振设备中设置激振频率20Hz—11kHz和9.5kHz—21kHz的两个频段的超磁致伸缩换能器；所述的小提琴固定在小提琴固定架上，激振设备固定在小提琴的腮托位置使牵拉臂牵拉琴弦；所述的声传感器置于待测小提琴f孔前方1米处；所述激光扫描前端置于待测小提琴固件前方1—2米处；激振设备中的音频信号发生器将正弦波信号经功率放大器放大后，输入超磁致伸缩换能器，换能器通过和输出顶杆连接的琴弦牵拉臂输入小提琴琴弦使之振动，随后琴弦振动信号通过琴码传入琴箱，引起小提琴多阶空腔和各固件耦合振动；声传感器接收小提琴整体声振动信号，通过声信号放大器放大后经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小提琴整体声振动频谱图；激光扫描前端将激光聚焦后采集小提琴固件振动的光学信号，之后经过光信号放大器放大后输入光电信号转换器转换成电信号，电信号经过计算机声学分析系统处理后生成小提琴各固件振动频谱图。

所述的小提琴固件为音板(面板、背板和侧板)、拉弦板、指板、琴马和琴头等部件。

所述的计算机声学分析系统具有FFT分析功能和频谱比较功能。

所述激光扫描前端为利用多普勒原理制造的激光扫描测振仪，采用新型嵌入式鹰眼高清摄像机，拥有高空间分辨率，测量面积覆盖从几个mm²至数m²，扫描角度为50°x 40°。

一种小提琴多阶空腔振动从整体声振动和固件振动中分解的方法，采用上述测量系统，包括如下步骤：

(1)先将激振设备安装在待测小提琴上，再将待测小提琴安装在小提琴固定支架上；

(2)将一根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，此时被测弦的张力与小提琴演奏状态时的张力完全一致；

(3)将声传感器置于待测小提琴面板f孔正前方1米处，将激光扫描前端置于待测小提琴前1—2米处；

(4)由激振设备中的音频信号发生器产生正弦波音频信号或扫频信号，经功率放大器放大后，输入到20Hz—11kHz频段的超磁致伸缩换能器，通过琴弦牵拉臂传递给琴弦，从而使被测弦振动导入面板引起空腔和琴板等固件耦合振动实现小提琴的整体声辐射；

(5)辐射的整体声被声传感器接收，经声信号放大器放大后，再进入模数转换器，使放大后的声波信号转换为数字信号，通过计算机声学分析系统进行计算分析后，生成小提琴一根琴弦整体声振动频谱图；固件的振动信号被激光扫描前端扫描后，其光学信号经过光信号放大器放大后，再输入光电信号转换器转换为电信号，然后传入计算机声学分析系统进行计算分析后，生成小提琴一个固件振动频谱图；

(6)重复步骤(2)至(5)，分别测量其它三根琴弦以及其它固件20Hz—11kHz频段的整体声振动频谱图和固件振动频谱图；再重复步骤(2)至(5)，其中步骤(4)的20Hz—11kHz频段的超磁致伸缩换能器替换为9.5kHz—21kHz频段的超磁致伸缩换能器，分别测量四根琴弦以及所有固件9.5kHz—21kHz频段的整体声振动频谱图和固件振动频谱图；

(7)比较固件振动和整体声振动频谱图，分解得到多阶空腔振动频谱图。

与现有技术相比本发明的有益效果和优点：

精确控制输入信号是测量分析系统声学特性的重要环节。如果不能精确控制输入频率和幅值，那么在分析不同的测量结果时就难以判断是受频率不同幅值的影响，还是受不同被测系统的影响。现有技术使用的频段为20Hz—20kHz的激发设备频率输出强度不够平整，误差太大。本发明将激振设备中的超磁致伸缩换能器输出频段设置为可线性输出的20Hz——11kHz和9.5kHz—21kHz两个频段，提高了输出精度。

本发明将多普勒激光扫描测振系统引入音板等各固件的非接触测量和单独测量。在不改变小提琴音板等固件质量的条件下，实现了对其固有频率进行精确测量。众所周知，任何接触性测量的传感器(即使是压电薄膜传感器)都是有质量的，测量时都会改变音板等固件的质量，即会改变测量对象的固有频率。使用激光扫描测振仪测量的结果是音板等固件本身振动的结果(此时空腔对音板的影响很小，对音板的峰值测试可以忽略不计)。

本发明将多阶空腔振动从整体声振动中分解出来，可得出空腔各阶峰值频率，也可分析空腔各阶峰值频率与空腔的形状、结构、材料之间的关系。

总之，本发明将由稀土为原材料制成的超磁致伸缩换能技术、声振动测量、激光扫描测振技术和计算机频谱分析等现代技术应用于小提琴整体声振动、固件振动和多阶空腔振动等声学参数的测试环节中，基于现代科学研究对小提琴振动发声原理(即整体声振动是由琴腔振动和音板等固件振动耦合后的结果)的认识，精确了超磁致伸缩换能器牵拉琴弦的激振信号；对小提琴音板、侧板、琴马、琴头、指板、拉弦板等固件实现了非接触精准测量；在测量小提琴整体声振动的同时也可对固件振动进行测量，并实现了多阶空腔振动和固件振动从整体声振动的分离。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和方法。

附图说明

图1本发明小提琴整体声振动和固件振动的测量系统结构示意图

图2激发小提琴某根琴弦的整体声振动频谱图

图3激光扫描前端扫描指板图

具体实施方式

结合附图对本发明做出进一步说明

如图1所述的一种小提琴整体声振动和固件振动的测量系统，包括小提琴激振设备、声传感器、声信号放大器、模数转换器、计算机声学分析系统；特征在于还包括激光扫描前端、光信号放大器、光电信号转换器、小提琴固定支架；所述的激振设备中设置激振频率20Hz—11kHz和9.5kHz—21kHz的两个频段的超磁致伸缩换能器；所述的小提琴固定在小提琴固定架上，激振设备固定在小提琴的腮托位置使牵拉臂牵拉琴弦；所述的声传感器置于待测小提琴f孔前方1米处；所述激光扫描前端置于待测小提琴固件前方1—2米处；激振设备中的音频信号发生器将正弦波信号经功率放大器放大后，输入超磁致伸缩换能器，换能器通过和输出顶杆连接的琴弦牵拉臂输入小提琴琴弦使之振动，随后琴弦振动信号通过琴码传入琴箱，引起小提琴多阶空腔和各固件耦合振动；声传感器接收小提琴整体声振动信号，通过声信号放大器放大后经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小提琴整体声振动频谱图；激光扫描前端将激光聚焦后采集小提琴固件振动的光学信号，之后经过光信号放大器放大后输入光电信号转换器转换成电信号(电压信号，即数字信号)，电信号经过计算机声学分析系统处理后生成小提琴各固件振动频谱图。

所述的小提琴固件为音板(面板、背板和侧板)、拉弦板、指板、琴马和琴头等部件。

所述的计算机声学分析系统具有FFT分析功能和频谱比较功能。

所述激振设备为一种小提琴整体声振动激振设备，该设备可最大程度地模拟小提琴演奏时琴弦真实的振动状态。所述激振设备中的换能器为超磁致伸缩换能器(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)；

所述激光扫描前端为利用多普勒原理制造的激光扫描仪，采用新型嵌入式鹰眼高清摄像机，拥有高空间分辨率，测量面积覆盖从几个mm²至数m²，扫描角度为50°x 40°。

一种小提琴多阶空腔振动从整体声振动和固件振动中分解的方法，采用上述测量系统，包括如下步骤：

1)先将激振设备安装在待测小提琴上，再将待测小提琴安装在小提琴固定支架上；

2)将一根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，此时被测弦的张力与小提琴演奏状态时的张力完全一致(此时，琴弦对琴马的压力大约为24公斤)；

3)将声传感器置于待测小提琴面板f孔正前方1米处，将激光扫描前端置于待测小提琴前1—2米处；

4)由激振设备中的音频信号发生器产生正弦波音频信号或扫频信号，经功率放大器放大后，输入到20Hz—11kHz频段的超磁致伸缩换能器，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作用下，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振动；在激振设备的作用下，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，从而使被测弦振动导入面板引起空腔和琴板等固件耦合振动实现小提琴的整体声辐射；

5)辐射的整体声被声传感器接收，经声信号放大器放大后，再进入模数转换器，使放大后的声波信号转换为数字信号，通过计算机声学分析系统进行计算分析后，生成小提琴一根琴弦的整体声振动频谱图(如图2)；固件的振动信号被激光扫描前端扫描后(如图3)，其光学信号经过光信号放大器放大后，再输入光电信号转换器转换为电信号，然后传入计算机声学分析系统进行计算分析后，生成小提琴一个固件振动频谱图；

6)重复步骤2)至5)，分别测量其它三根琴弦以及其它固件20Hz—11kHz频段的整体声振动频谱图和固件振动频谱图；再重复步骤2)至5)，其中步骤4)的20Hz—11kHz频段的超磁致伸缩换能器替换为9.5kHz—21kHz频段的超磁致伸缩换能器，分别测量四根琴弦以及所有固件9.5kHz—21kHz频段的整体声振动频谱图和固件振动频谱图；

7)比较固件振动和整体声振动频谱图，分解得到多阶空腔振动频谱图。重点比较整体声振动的峰值和固件峰值，如果固件峰值在整体声振动的峰值中出现，则说明整体声振动中此峰值来源于固件振动；如果整体声振动中的峰值在固件峰值中没有出现，则这个峰值可能是由腔体振动形成。在确定多阶空腔峰值后，根据空腔的体积、形状、结构及f孔的尺寸、形状分析其峰值的成因以及固件和空腔的耦合。

Claims (5)

1.一种小提琴整体声振动和固件振动的测量系统，包括小提琴激振设备、声传感器、声信号放大器、模数转换器、计算机声学分析系统；其特征在于还包括激光扫描前端、光信号放大器、光电信号转换器、小提琴固定支架；所述的激振设备中设置激振频率20Hz—11kHz和9.5kHz—21kHz的两个频段的超磁致伸缩换能器；所述的小提琴固定在小提琴固定架上，激振设备固定在小提琴的腮托位置使牵拉臂牵拉琴弦；所述的声传感器置于待测小提琴f孔前方1米处；所述激光扫描前端置于待测小提琴固件前方1—2米处；激振设备中的音频信号发生器将正弦波信号经功率放大器放大后，输入超磁致伸缩换能器，换能器通过和输出顶杆连接的琴弦牵拉臂输入小提琴琴弦使之振动，随后琴弦振动信号通过琴码传入琴箱，引起小提琴多阶空腔和各固件耦合振动；声传感器接收小提琴整体声振动信号，通过声信号放大器放大后经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小提琴整体声振动频谱图；激光扫描前端将激光聚焦后采集小提琴固件振动的光学信号，之后经过光信号放大器放大后输入光电信号转换器转换成电信号，电信号经过计算机声学分析系统处理后生成小提琴各固件振动频谱图。

2.如权利要求1所述的一种小提琴整体声振动和固件振动的测量系统，其特征在于，所述的小提琴固件为音板、拉弦板、指板、琴马或琴头。

3.如权利要求1所述的一种小提琴整体声振动和固件振动的测量系统，其特征在于，所述的计算机声学分析系统具有FFT分析功能和频谱比较功能。

4.如权利要求1所述的一种小提琴整体声振动和固件振动的测量系统，其特征在于，所述激光扫描前端为利用多普勒原理制造的激光扫描测振仪。

5.一种小提琴多阶空腔振动从整体声振动和固件振动中分解的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的测量系统，包括如下步骤：

(1)先将激振设备安装在待测小提琴上，再将待测小提琴安装在小提琴固定支架上；

(2)将一根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)将声传感器置于待测小提琴面板f孔正前方1米处，将激光扫描前端置于待测小提琴前1—2米处；

(4)由激振设备中的音频信号发生器产生正弦波音频信号或扫频信号，经功率放大器放大后，输入到20Hz—11kHz频段的超磁致伸缩换能器，通过琴弦牵拉臂传递给琴弦，使被测弦振动导入面板引起空腔和琴板等固件耦合振动实现小提琴的整体声辐射；

(5)辐射的整体声被声传感器接收，经声信号放大器放大后，再进入模数转换器，使放大后的声波信号转换为数字信号，通过计算机声学分析系统进行计算分析后，生成小提琴一根琴弦整体声振动频谱图；固件的振动信号被激光扫描前端扫描后，其光学信号经过光信号放大器放大后，再输入光电信号转换器转换为电信号，然后传入计算机声学分析系统进行计算分析后，生成小提琴一个固件振动频谱图；

(6)重复步骤(2)至(5)，分别测量其它三根琴弦以及其它固件20Hz—11kHz频段的整体声振动频谱图和固件振动频谱图；再重复步骤(2)至(5)，其中步骤(4)的20Hz—11kHz频段的超磁致伸缩换能器替换为9.5kHz—21kHz频段的超磁致伸缩换能器，分别测量四根琴弦以及所有固件9.5kHz—21kHz频段的整体声振动频谱图和固件振动频谱图；

(7)比较固件振动和整体声振动频谱图，分解得到多阶空腔振动频谱图。