[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

说明书

技术领域

本发明涉及乐器制作与声学品质测试领域，特别涉及一种小提琴琴弦牵拉激振设备及整体声振动频谱测量系统和测量方法。

背景技术

随着计算机技术和数字信号技术在小提琴声学研究领域的应用，人们对小提琴的振动原理有了更深刻的认识。美国物理学家C.M.Hutchins使用有限元分析方法得到小提琴琴箱整体全息图的数据结果，2006年美国东卡罗莱纳大学George Bissinger博士等借助三维激光振动测量仪绘制了三把意大利名琴琴箱振动的三维动画图像，这些研究全面阐释了小提琴振动的过程及其声学原理，促进了现代频谱测量技术在小提琴制作过程中的应用和普及。

小提琴的振动原理十分复杂，从小提琴发声的过程来看，包括三种形式的振动，即琴弦振动→琴码振动→琴箱振动，其中琴弦是声音的源泉，是发声的基础；琴码是中枢，在国外又称为Bridge(桥)，它连接琴弦与琴箱，将琴弦的振动导入到琴箱；琴箱是放大器，它将琴弦和琴码振动的机械能转换为声能，向外辐射声波，发出声音。基于对小提琴发声原理的认识，近年来，国外学者设计了多种方法，借助计算机频谱测量技术，尝试测量小提琴的声音振动，其中美国制琴师Joseph Curtin设计的脉冲锤激励琴码——敲击声频谱测量的方法具有一定的代表性，其方法特征是直接测量装配好（演奏状态）的小提琴，先用脉冲锤敲击小提琴琴码的侧部，在冲力的作用下，小提琴两只琴码脚在面板垂直方向做交替振动，使琴箱发出声音。不难看出，这种方法忽略了琴弦的振动，激振的导入点为琴码，虽没有给琴码增加额外的质量，测量结果也基本上反映琴码和琴箱的复合振动，但这种测量方法还是有一定的局限性，人们在使用中发现，用脉冲锤从不同的角度敲击琴码，测量的结果有一定的差异，造成测量不确定性的原因在于：小提琴四根琴弦的张力在50磅左右，琴弦振动时，琴码在琴弦的牵拉下，既有前后扭摆的动作（琴弦方向），还有琴码脚上下交替的动作（面板垂直方向），Joseph Curtin的激振方法仅能使琴码在面板垂直方向做上下振动，而无法模拟琴码前后扭摆的振动，因此不能完全反映小提琴在演奏状态下整体振动的真实状况。

发明内容

Joseph Curin设计的脉冲锤激励琴码——敲击声频谱测量的方法存在一定的局限性和不足，不能真实反映小提琴在演奏状态下整体振动的实际状况。本发明在设计思路上主要是对其测量方法进行改进，主要解决两个关键点：一是改进激振方式，根据小提琴振动发声原理，激振后使琴码兼有前后扭摆和上下垂直的振动状态；二是改进测量方法，由于小提琴四根弦的张力不同，本发明采用了分别牵拉激振的测量方法，提高了测量精度。

本发明的技术问题包括以下三个方面：

1、激振点，即振动导入的作用点。根据小提琴的声学原理，振动的逻辑顺序为：琴弦振动→琴码振动→琴箱振动，因此激振点有三种方式，(1)直接激振琴箱方式；（2）激振琴码，通过琴码将振动导入琴箱，是一种间接激振方式，Joseph Curtin的设计就是采用的这种激振方式；（3）激振琴弦，模拟琴弦牵拉琴码的运动，将琴弦振动通过琴码的两种运动方式导入琴箱。这是最接近演奏状态的间接激振方式，这是本发明拟采用的激振方式。

2、激振方式。用一定方式牵拉小提琴琴弦，牵拉频率和位移幅度可人为控制。

3、声振动频谱测量。对激振状态下小提琴整体声振动进行频谱测量和数据分析。

本发明为了解决上述技术问题采用的技术方案是：提供一种小提琴整体声振动专用激振设备及系统和频谱测量方法。

本发明提供有一种小提琴整体声振动激振设备，包括音频信号发生器、功率放大器、超磁致伸缩换能器、琴弦牵拉臂和琴箱固定夹；所述音频信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与超磁致伸缩换能器相连；所述的超磁致伸缩换能器的输出顶杆与琴弦牵拉臂同向紧密固定，指向琴头方向；琴弦牵拉臂的另一端设有弦槽，弦槽安装琴弦后，使琴弦受牵拉的角度与正常演奏状态一致；所述琴箱固定夹用于将超磁致伸缩换能器与琴箱固定。

本发明所述的小提琴整体声振动激振设备的优选技术方案：所述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；超磁致伸缩换能器和琴弦牵拉臂的作用是模拟小提琴演奏状态下，被测琴弦不同频率的振动及张力变化对小提琴整体声振动影响的物理环境。