b302--小提琴的振動及聲學特性分析研究

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1、小提琴的振動及聲學特性分析研究摘要小提琴的出現(xiàn)已有300多年的歷史，是自17世紀以來西方音樂中最為重要的樂器之一，其制作本身是一門極為精致的藝術(shù)。小提琴音色優(yōu)美，接近人聲，音域?qū)拸V，表現(xiàn)力強，一直在樂器中占有顯著的地位，被稱為樂器中的“王后”。本文從理論意義和應用的角度，介紹了小提琴的研究歷史和現(xiàn)狀，從振動和力學角度研究小提琴的發(fā)音機制，旨在揭示小提琴的發(fā)音機理以及力學特性與發(fā)音效果之間的關(guān)系，探索從客觀的物理角度評判小提琴的方法。本文對小提琴的結(jié)構(gòu)和主要零件及其聲學功能做了理論分析；研究了小提琴弦振動的主要方式，并通過實驗對琴碼在

2、小提琴發(fā)音中起到的重要作用做了闡述，進行了力學分析。關(guān)鍵詞：小提琴；振動；聲學；有限元；共鳴箱目錄摘要1一、小提琴的研究歷史和現(xiàn)狀31.1小提琴的研究歷史31.2小提琴研究現(xiàn)狀3二、小提琴結(jié)構(gòu)及聲學42.1小提琴的構(gòu)造42.2小提琴聲學4三、小提琴弦振動分析及測力實驗53.1琴弦的振動特性53.1.1自由振動53.1.2強迫振動53.1.3自激振動53.1.4參數(shù)振動53.2琴弦的張力分析53.3小提琴測力實驗63.4.1實驗原理和方法63.4.2實驗方案設(shè)計63.4.3實驗過程與結(jié)果63.4.4實驗分析與結(jié)論7四、琴碼的力學特性分

3、析84.1琴碼的重要作用84.2琴碼的力學特性分析84.2.1琴碼靜態(tài)受力分析84.2.2琴碼靜態(tài)平衡方程的建立84.3木材的力學和聲學特性84.3.1木材的力學特性84.3.2木材的聲學特性9五、小提琴共鳴箱振動測量實驗105.1實驗原理和方法105.1.1壓電式加速計的測振原理105.1.2小提琴共鳴箱振動測試系統(tǒng)105.2實驗過程105.3實驗結(jié)果與分析11參考文獻：12一、小提琴的研究歷史和現(xiàn)狀1.1小提琴的研究歷史現(xiàn)代意義上的小提琴最早出現(xiàn)于公元16世紀意大利北部威尼斯、熱那亞等港口，意大利文稱為“violino”，意思為

4、“小的中提琴”。最早期的小提琴，除了在一些文藝作品中有所反映之外，沒有保存至今的實物。小提琴作為人類智慧的結(jié)晶，有著其獨特的藝術(shù)和技術(shù)的含量。一直以來，人們對這一藝術(shù)瑰寶的奇妙之處不斷進行研究。但至今，小提琴仍然有著許多的“奧秘”未能被人們識破，怎樣制作出優(yōu)秀的小提琴也是一大難題。1.2小提琴研究現(xiàn)狀小提琴由許許多多的零件構(gòu)成，可以說是“麻雀雖小，五臟俱全”。小提琴的發(fā)音來源于用弓拉琴弦，再通過琴碼傳遞振動給共鳴箱。琴弦和琴碼的制作材料、安裝位置、振動特性等因素對小提琴的發(fā)音起著決定性的作用。我國從事小提琴方面的研究人員稀少，大部分

5、制琴家都是憑經(jīng)驗來制作小提琴，造成我國小提琴制作水平低，在世界范圍沒有太大的影響力。近年來，中國提琴業(yè)發(fā)生了很大變化，在國際上有了一定的影響力。雖然也涌現(xiàn)出了一批制琴名師，但真正從事小提琴制作研究尤其是振動和力學研究的科研人員遠遠不夠。二、小提琴結(jié)構(gòu)及聲學2.1小提琴的構(gòu)造小提琴誕生后的兩三百年以來基本上保持著它原來的面貌，僅是作了加長琴頸和加強低音梁等一些小的改進。小提琴由30多個零件組成，琴身長約340-355mm。其主要構(gòu)件有琴頭、琴身、琴頸、弦軸、琴弦、琴碼、腮托、琴弓、面板、側(cè)板、音柱等。2.2小提琴聲學當弓與張緊的琴弦發(fā)

6、生摩擦時，琴弦就產(chǎn)生振動，琴弦的振動又通過琴碼傳遞到共鳴箱，共鳴箱隨琴弦的振動而共振，振動在共鳴箱內(nèi)得到加強又推動周圍的空氣振動，從而輻射擴散到人的耳朵成為樂音。三、小提琴弦振動分析及測力實驗振動是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，也是所有物體發(fā)聲的來源，可以說振動與我們的生活息息相關(guān)。一直以來，科研人員在振動領(lǐng)域投入了大量研究，對振動過程和機理的認識也日益深化，使振動能夠趨利避害。振動力學是關(guān)于機械振動的一門重要學科，它為合理解決工程中遇到的各種振動問題提供了理論依據(jù)3.1琴弦的振動特性振動是指物體在平衡位置（或平均位置）附近來回往復的運動

7、或系統(tǒng)的物理量在其平均值（或平衡值）附近的來回變動。按照對振動系統(tǒng)的激勵的類型分類，振動可以分為：3.1.1自由振動系統(tǒng)受初始激勵作用（以后不再受外界激勵），也就是在特定的初始位移和（或）初始速度下產(chǎn)生的振動。3.1.2強迫振動系統(tǒng)在給定的外界激勵作用下產(chǎn)生的振動。3.1.3自激振動在這種情況下，激勵是受系統(tǒng)振動本身控制的，在適當?shù)姆答佔饔孟?，系統(tǒng)將自動地激起定幅的振動。但是，一旦系統(tǒng)的振動被抑止，激勵也就隨著消失。3.1.4參數(shù)振動這種振動的激勵方式是通過改變系統(tǒng)的物理特性參數(shù)來實現(xiàn)的。3.2琴弦的張力分析小提琴的四根琴弦調(diào)至標準

8、音高后，琴弦的張力作用是相當明顯的，琴弦的張力作用不僅使面板承受琴碼的壓力，而且整把琴也因受力處于緊張狀態(tài)，因此琴弦的張力在發(fā)音上具有重要的作用。通常情況下，琴弦的張力可以達到20N至30N，看似不大，但經(jīng)過日積月累，再加上琴體本身的