CN2245797Y - 自由振动式完全共鸣型乐器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种自由振动式完全共鸣型乐器，其发音元件由硬质矩形截面的长条形平板构成，该平板用两个柔性支撑支持在载体上，支撑点位于振动的两节点处，其下方置一共鸣管，发音元件及共鸣管的尺寸完全依靠科学计算确定，因此其音调准确，音质洪亮悠扬，音色优美柔和，具有一种梦幻般的特殊效果。

Description

自由振动式完全共鸣型乐器

本实用新型涉及一种乐器，特别是涉及一种发音元件依靠本身自由振动频率产生乐音的乐器。

在现有的各种乐器中，弦乐器均依靠弦的被动振动产生一定频率，该频率与弦的质量、粗细、长度和拉紧程度有关，并将此振动传递给一个薄的振动面，强制其发生相同频率的振动，从而发出乐音，该乐音的频率和音质均根据上述原件状态的改变而发生变化，因此极不稳定；簧乐器则依靠簧片在气流冲击下强制振动发音，其频率依靠簧片的厚度及长度而变化，属于稳定型的一种，但簧片必须很薄，因此容易损坏，且其音量由于乐器的构造而受到较大限制；管乐器则通过气流按特定方式进入管口小孔，使管内空气产生振动而发音，其频率与管长相关，当气流进入管孔的方式不当时，则不能发音；打击乐器依靠敲击乐器平面使其振动而发音，演奏较简单，但其振动不是某一单纯的频率，而是多种频率的混合振动，而各种频率间不存在称为“和音”的和谐关系，因此发出的只能是一种噪声，而不是乐音，而且一般只能发出一种固定的撞击声，因此不能用来表现旋律，只能表现节奏。以上乐器的共同特点是共鸣不是完全的，共鸣作用没有充分得到发挥。另外一类乐器是依靠发音元件的本身固有频率自由振动而发音，因此其频率相当稳定，如铝板琴、木琴等。这类乐器具有打击乐器演奏简单的特点，又具有其它乐器能演奏各种旋律的功能，其音色优美独特，不同于其它乐器，但其设计和制造工艺全凭乐器制造师的经验，其发音元件——音板均剜成特定形状，使其发出较宏亮而具有一定频率的乐音。这种乐器的音调是否准确，完全依赖乐器制造者的经验和水平来决定，而不是依靠科学计算；其中一些高档的乐器均备有共鸣管，但其共鸣管也没有经过科学计算，因此也属于一种不完全共鸣，因此共鸣效果不理想，甚至完全未发生共鸣，共鸣管在某种程度上仅起到装饰作用。为了使其有足够的音量，一般均将音板尺寸加大，使整台乐器显得很笨重。

本实用新型的目的是提供一种完全依靠科学计算的发音元件，共鸣管也经过科学计算，使其产生完全而充分的共鸣，由此设计制造的乐器，能达到音质优美柔和，发音宏亮悠扬，且元件尺寸小、重量轻，用任何硬质材料均可制造。

本实用新型提出的目的，是按照下述方法来实现的：

本实用新型的发音元件由硬质矩形截面的长条形平板构成，该平板用两个柔性支撑支持在载体上，支撑点位于振动的两节点处，其下方是一共鸣管，以保证产生完全的共鸣。

首先选定一种材料(一般使用钢板即可)，将该板材裁成一定长度的矩形长条，由于其宽度与发音频率无关，因此可根据实际情况决定适当宽度即可，两面均为平面，不需制成特殊形状，其厚度和长度与频率密切相关，各参数间存在如下关系：

自然振动周期 $T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{W}{\mathrm{Fg}}}............\left(1\right)$

式中T为振动周期

    W为振动系之重量

    F为使物体产生单位变形时所需之力

    g为重力加速度

由于频率等于周期之倒数，故 $f=\frac{1}{T}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{\mathrm{Fg}}{W}}............\left(2\right)$

以上公式中的变量与发音元件的尺寸，密度、弹性模量相关，当发音元件为一具有矩形截面的长条形平板，并自由支撑在两支点上时，可将其视为一简支梁，当其产生自然振动时，会形成两个节点，而两个支点则应位于节点上，在这种情况下，经过推导化简后的频率与发音元件尺寸的关系式为： $f=c\·\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}\·\frac{S}{L^2}............\left(3\right)$

式中f为音阶频率，单位为赫兹

    E为弹性摸量，单位为千克/厘米²

    ρ为材料密度，单位为克/厘米³

    L为板长，S为板厚，单位为毫米

    c为综合化简后之系数

c之值约在10000至11000之间，其值与材质，热处理状态，轧制和加工状态有关，详值可根据板材状况通过初步计算后，由实验确定。

在板的下方设置共鸣管，共鸣管的长度与音波的波长相关，亦即与音速v和频率f相关，而与管的直径无关。当共鸣管为无底的通管时，管长为： $l=500\frac{v}{f}-d............\left(4\right)$

当共鸣管为一端有底的不通管时，管长为： $l=250\frac{v}{f}-d............\left(5\right)$

式中，l为共鸣管长，单位为毫米

      v为音速，单位为米/秒

      f为频率，单位为赫兹

      d为管口与音源之距离，单位为毫米

在计算时，音阶频率按国际标准为音阶A＝440赫兹，音速根据国际最新测定并经公认的速度为，在0℃及海平面标准气压下，声音在干燥空气中的速度为V_o＝331.29米/秒。

在其它温度之声速为

    V_t＝V_o+0.54t    ………………………(6)

式中V_t为在温度为t时之音速

    V_o为在温度为0℃时之音速

    t为计算条件下的气温(℃)

按照以上方法设计的乐器，在任何频率下均可获得完全的共鸣，使发音元件的音量扩大数十倍以上，用柔性琴锤敲击，即可发出准确、悠扬、洪亮而且优美柔和的乐音，具有一种梦幻般的特殊效果。

附图为一实施例，图1为乐器的正视图，图2为乐器的俯视图，图中1为发音元件，2为柔性支撑，3为共鸣管，4为乐器载体，该载体可用各种适当方式固定在支架上，以便形成一架便于弹奏的乐器整体。

Claims (4)

1、一种自由振动式完全共鸣型乐器，该乐器用柔性琴锤敲击发音，其特征在于发音元件由硬质矩形截面的长条形平板构成，该平板用两个柔性支撑支持在载体上，支撑点位于振动的两节点处，其下方置一共鸣管，以保证产生完全的共鸣，发音元件及共鸣管尺寸均经科学计算确定。

2、按权利要求1所述乐器，其特征在于发音元件尺寸按 $f=c\·\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}\·\frac{S}{L^2}$ 计算，当f单位为赫兹，S及L单位为毫米时，系数c之值在10000至11000之间。

3、按权利要求1、2所述乐器，其特征在于当共鸣管无底时，其长度按 $l=500\frac{v}{f}-d$ 计算。

4、按权利要求1、2所述乐器，其特征在于当共鸣管有底时，其长度按 $l=250\frac{v}{f}-d$ 计算。