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1、小提琴的振動(dòng)及聲學(xué)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(jì)以來(lái)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(qiáng),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(yīng)用的角度,介紹了小提琴的研究歷史和現(xiàn)狀,從振動(dòng)和力學(xué)角度研究小提琴的發(fā)音機(jī)制,旨在揭示小提琴的發(fā)音機(jī)理以及力學(xué)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(píng)判小提琴的方法。本文對(duì)小提琴的結(jié)構(gòu)和主要零件及其聲學(xué)功能做了理論分析;研究了小提琴弦振動(dòng)的主要方式,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)琴碼在
2、小提琴發(fā)音中起到的重要作用做了闡述,進(jìn)行了力學(xué)分析。關(guān)鍵詞:小提琴;振動(dòng);聲學(xué);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(xué)42.1小提琴的構(gòu)造42.2小提琴聲學(xué)4三、小提琴弦振動(dòng)分析及測(cè)力實(shí)驗(yàn)53.1琴弦的振動(dòng)特性53.1.1自由振動(dòng)53.1.2強(qiáng)迫振動(dòng)53.1.3自激振動(dòng)53.1.4參數(shù)振動(dòng)53.2琴弦的張力分析53.3小提琴測(cè)力實(shí)驗(yàn)63.4.1實(shí)驗(yàn)原理和方法63.4.2實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)63.4.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果63.4.4實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論7四、琴碼的力學(xué)特性分
3、析84.1琴碼的重要作用84.2琴碼的力學(xué)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(xué)和聲學(xué)特性84.3.1木材的力學(xué)特性84.3.2木材的聲學(xué)特性9五、小提琴共鳴箱振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)105.1實(shí)驗(yàn)原理和方法105.1.1壓電式加速計(jì)的測(cè)振原理105.1.2小提琴共鳴箱振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)105.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程105.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析11參考文獻(xiàn):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(jì)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(shí)物。小提琴作為人類智慧的結(jié)晶,有著其獨(dú)特的藝術(shù)和技術(shù)的含量。一直以來(lái),人們對(duì)這一藝術(shù)瑰寶的奇妙之處不斷進(jìn)行研究。但至今,小提琴仍然有著許多的“奧秘”未能被人們識(shí)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(shuō)是“麻雀雖小,五臟俱全”。小提琴的發(fā)音來(lái)源于用弓拉琴弦,再通過(guò)琴碼傳遞振動(dòng)給共鳴箱。琴弦和琴碼的制作材料、安裝位置、振動(dòng)特性等因素對(duì)小提琴的發(fā)音起著決定性的作用。我國(guó)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(yàn)來(lái)制作小提琴,造成我國(guó)小提琴制作水平低,在世界范圍沒有太大的影響力。近年來(lái),中國(guó)提琴業(yè)發(fā)生了很大變化,在國(guó)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(dòng)和力學(xué)研究的科研人員遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。二、小提琴結(jié)構(gòu)及聲學(xué)2.1小提琴的構(gòu)造小提琴誕生后的兩三百年以來(lái)基本上保持著它原來(lái)的面貌,僅是作了加長(zhǎng)琴頸和加強(qiáng)低音梁等一些小的改進(jìn)。小提琴由30多個(gè)零件組成,琴身長(zhǎng)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(xué)當(dāng)弓與張緊的琴弦發(fā)
6、生摩擦?xí)r,琴弦就產(chǎn)生振動(dòng),琴弦的振動(dòng)又通過(guò)琴碼傳遞到共鳴箱,共鳴箱隨琴弦的振動(dòng)而共振,振動(dòng)在共鳴箱內(nèi)得到加強(qiáng)又推動(dòng)周圍的空氣振動(dòng),從而輻射擴(kuò)散到人的耳朵成為樂音。三、小提琴弦振動(dòng)分析及測(cè)力實(shí)驗(yàn)振動(dòng)是自然界最普遍的現(xiàn)象之一,也是所有物體發(fā)聲的來(lái)源,可以說(shuō)振動(dòng)與我們的生活息息相關(guān)。一直以來(lái),科研人員在振動(dòng)領(lǐng)域投入了大量研究,對(duì)振動(dòng)過(guò)程和機(jī)理的認(rèn)識(shí)也日益深化,使振動(dòng)能夠趨利避害。振動(dòng)力學(xué)是關(guān)于機(jī)械振動(dòng)的一門重要學(xué)科,它為合理解決工程中遇到的各種振動(dòng)問題提供了理論依據(jù)3.1琴弦的振動(dòng)特性振動(dòng)是指物體在平衡位置(或平均位置)附近來(lái)回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)
7、或系統(tǒng)的物理量在其平均值(或平衡值)附近的來(lái)回變動(dòng)。按照對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)的類型分類,振動(dòng)可以分為:3.1.1自由振動(dòng)系統(tǒng)受初始激勵(lì)作用(以后不再受外界激勵(lì)),也就是在特定的初始位移和(或)初始速度下產(chǎn)生的振動(dòng)。3.1.2強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)在給定的外界激勵(lì)作用下產(chǎn)生的振動(dòng)。3.1.3自激振動(dòng)在這種情況下,激勵(lì)是受系統(tǒng)振動(dòng)本身控制的,在適當(dāng)?shù)姆答佔(zhàn)饔孟?,系統(tǒng)將自動(dòng)地激起定幅的振動(dòng)。但是,一旦系統(tǒng)的振動(dòng)被抑止,激勵(lì)也就隨著消失。3.1.4參數(shù)振動(dòng)這種振動(dòng)的激勵(lì)方式是通過(guò)改變系統(tǒng)的物理特性參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3.2琴弦的張力分析小提琴的四根琴弦調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)
8、音高后,琴弦的張力作用是相當(dāng)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(dá)到20N至30N,看似不大,但經(jīng)過(guò)日積月累,再加上琴體本身的