基本信息
- 项目名称：
- 小提琴共鸣箱点阻抗特性测试及其应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 高档小提琴共鸣箱面板和底板的加工都是采用传统手工制作，缺乏必要的理论指导，出精品很难。 本作品借鉴机械系统动态特性试验方法，对共鸣箱的振动特性进行试验分析，其结果将为小提琴手工制作提供一种方便的参考依据。通过测试共鸣箱面板各点的点阻抗值，再绘制出面板的等刚度曲线或图像，以反映共鸣箱面板的点刚度分布状况。制作者可以在制作过程中通过与高品质小提琴的等刚度图像比较，及时地改进和优化共鸣箱的制作过程。
- 详细介绍：
- 众所周知，小提琴是一种高雅而优美的乐器，高档小提琴价格不菲，共鸣箱面板和底板的加工都是采用传统的手工制作的，制作质量主要靠制作者的手工技巧和经验来保证。历来制作技艺只能心口相传，缺乏必要的理论指导，出精品很难。小提琴制作重在声学特性，在小提琴的组成部件中，共鸣箱是最重要的振动部件，它的特性对小提琴的音量和音色品质起着重要的作用。 我们借鉴机械系统动态试验的方法，对共鸣箱箱体的振动特性进行试验分析。尝试通过测试共鸣箱面板各点的点阻抗值，再绘制出小提琴的等刚度曲线或图像，以反映共鸣箱面板的点刚度分布状况，这将为小提琴手工制作者提供一种方便的参考依据。 我们这套试验设备主要由硬件和软件两个部分组成。硬件部分包括阻抗头、电荷放大器、USB数据采集卡；软件部分主要由虚拟仪器完成数据分析，包括双通道实时示波、信号FFT分析、点阻抗计算及灰度图的绘制等，并可存储相关的数据及数据分析结果。 试验过程：用阻抗头轻轻敲击共鸣箱面板上的某一点，同时采集力和加速度信号，将信号送入电荷放大器进行信号放大，再将放大的信号经过数据采集卡送入计算机。在虚拟仪器的数据分析过程中先将加速度信号进行积分运算变为速度信号，然后将力信号、速度信号进行数字滤波；将滤波后的信号分别进行快速傅里叶变换，然后取力和加速度FFT变换之后的比就得到一个以频率为变量的复函数；再给定小提琴泛音中的某一频率，即可得到该频率的点阻抗值；通过测试面板上各矩阵点的点阻抗值后，绘制出面板的等刚度曲线或刚度灰度图。 通过绘制的等刚度曲线或等刚度图像，制作者可以在制作过程中通过与高品质小提琴的等刚度图像比较，及时地改进和优化共鸣箱的制作过程。 本作品最大的亮点在于 1）通过现代测试手段，将传统的工匠制作经验转换为图形信息，使制作经验得以传承； 2）与常规模态分析方法相比，采用的点阻抗试验方法简单、实用，图形直接反映了面板厚度信息，便于小提琴制作者使用。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 小提琴共鸣箱体的结构振动特性是影响小提琴声学性能的主要因素。针对目前高档小提琴共鸣箱面板的手工制作过程仅凭制作者经验而缺少理论指导的现状，本作品尝试采用一种实用的小提琴共鸣箱振动特性测试方法来解决经验传承问题。即先对现有的高档小提琴共鸣箱箱体点阻抗特性进行测试，并将测试结果绘制成为制作者容易读懂的振动特性曲线或灰度图形，据此为其它共鸣箱面板的制作过程提供参考和借鉴,从而提高小提琴制作水平。 主要创新点是：通过现代测试手段，将传统的工匠制作经验转换为图形信息，使经验得以传承。技术关键是：用硬件和虚拟仪器搭建实用的点阻抗特性测试、分析系统；对不同的小提琴进行实验，进一步分析点阻抗分布特性与小提琴音响品质的关系。
科学性、先进性
- （1）小提琴的声学特性与小提琴的振动特性有着密切的联系，通过机械阻抗试验的方法可以分析小提琴共鸣箱箱体的振动特性。与现在仅凭经验制作小提琴相比，尝试用理论和试验分析的方法指导制作小提琴是科学的； （2）提供了一种便捷有效的测试设备和制作指导方法，制作者在制作过程中测出面板相应的点阻抗值，通过与高品质小提琴点阻抗参数进行比较，及时改进和优化共鸣箱的制作过程，提高制作水平。（3）目前艺术类院校和研究单位很少有用工程试验方法来研究乐器特性并指导生产的，该作品有利于工程与艺术学科的相互借鉴和发展。参考文献：古典提琴的设计，乐器，2001，(2) 文献介绍了小提琴是一种音质优美、表现力丰富的乐器。但是,目前价格不菲的高档小提琴在结构设计和制作上基本上是凭经验手工制作的,制作过程缺少理论指导。
获奖情况及鉴定结果
- 自选研究题目，获学校科技活动经费资助。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 向小提琴制作者介绍、推广
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品通过测量小提琴共鸣箱的点阻抗特性，并利用点阻抗分布曲线（图像）指导手工制作小提琴共鸣箱。查阅文献资料表明，国内尚没有对小提琴共鸣箱点阻抗特性测试方法和系统设备，更没有提出用来指导小提琴制作。该作品不仅能为高档小提琴的制作提供理论和试验指导，同时也会推动工程和艺术类学科的结合。与现在高档小提琴制作的高额费用相比该系统本身价格不高，能提高生产效率和产品品质，使用简单、方便，因此具有良好的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 在文献（李功宇，郑宇文，弦乐吉它结构声振特性的实验分析，昆明理工大学学报，2002(8):19-22）中，李功宇副教授基于结构实验模态分析及频谱分析技术，对弦乐吉他结构声振特性进行了实验分析。吉它结构固有振动模态的实验分析采用脉冲锤瞬态激励测试分析方法。 李功宇副教授设计的吉他结构振动模态特性测试实验状态为琴身轴线铅垂、颈部柔性支撑。振动测点共布置有52个，顶板测点布置如图2,背板测点布置与顶板相同。此外，在吉他琴把及测板上还分别布置有四个振动测点。在测试过程中，将加速度计固定放置于顶板7＃点测量脉冲响应，脉冲顺序对各测点进行脉冲激励。通过模态分析的一些理论，求出实验吉他的模态振型和参数。他综合实验吉他六弦弹奏声音历程及频谱分析，并根据现场弹奏者声质听觉比较，初步得出：当琴弦振动频率与琴身振动模态频率耦合时，琴弦振动会激发琴体相应的固有模态振动，弦振声易产生声波持续时间长、且具有和弦音的效果。他的研究仅仅局限于吉他结构的实验模态分析及弹奏声的频谱分析，并没有得出结构振动模态与吉他弹奏音质的关系特性，更没有提出运用分析结果指导吉他的制作。试验数据是采用交叉阻抗获取的。 有关共鸣箱式弦乐乐器的研究方法还有一些，但都只是研究试验乐器本身振动特性。本作品研究方法是基于小提琴共鸣箱面板传统手工制作的过程特征以及制作者的需要，提出了面板点阻抗特性测试并转化为参考图形的方法，能为小提琴的制作加工过程提供一个直观的指导。
