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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 小提琴共鳴箱點(diǎn)阻抗特性測(cè)試及其應(yīng)用
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 高檔小提琴共鳴箱面板和底板的加工都是采用傳統(tǒng)手工制作，缺乏必要的理論指導(dǎo)，出精品很難。 本作品借鑒機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)方法，對(duì)共鳴箱的振動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，其結(jié)果將為小提琴手工制作提供一種方便的參考依據(jù)。通過(guò)測(cè)試共鳴箱面板各點(diǎn)的點(diǎn)阻抗值，再繪制出面板的等剛度曲線或圖像，以反映共鳴箱面板的點(diǎn)剛度分布狀況。制作者可以在制作過(guò)程中通過(guò)與高品質(zhì)小提琴的等剛度圖像比較，及時(shí)地改進(jìn)和優(yōu)化共鳴箱的制作過(guò)程。
- 詳細(xì)介紹：
- 眾所周知，小提琴是一種高雅而優(yōu)美的樂(lè)器，高檔小提琴價(jià)格不菲，共鳴箱面板和底板的加工都是采用傳統(tǒng)的手工制作的，制作質(zhì)量主要靠制作者的手工技巧和經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證。歷來(lái)制作技藝只能心口相傳，缺乏必要的理論指導(dǎo)，出精品很難。小提琴制作重在聲學(xué)特性，在小提琴的組成部件中，共鳴箱是最重要的振動(dòng)部件，它的特性對(duì)小提琴的音量和音色品質(zhì)起著重要的作用。 我們借鑒機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的方法，對(duì)共鳴箱箱體的振動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)分析。嘗試通過(guò)測(cè)試共鳴箱面板各點(diǎn)的點(diǎn)阻抗值，再繪制出小提琴的等剛度曲線或圖像，以反映共鳴箱面板的點(diǎn)剛度分布狀況，這將為小提琴手工制作者提供一種方便的參考依據(jù)。 我們這套試驗(yàn)設(shè)備主要由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。硬件部分包括阻抗頭、電荷放大器、USB數(shù)據(jù)采集卡；軟件部分主要由虛擬儀器完成數(shù)據(jù)分析，包括雙通道實(shí)時(shí)示波、信號(hào)FFT分析、點(diǎn)阻抗計(jì)算及灰度圖的繪制等，并可存儲(chǔ)相關(guān)的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果。 試驗(yàn)過(guò)程：用阻抗頭輕輕敲擊共鳴箱面板上的某一點(diǎn)，同時(shí)采集力和加速度信號(hào)，將信號(hào)送入電荷放大器進(jìn)行信號(hào)放大，再將放大的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)。在虛擬儀器的數(shù)據(jù)分析過(guò)程中先將加速度信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算變?yōu)樗俣刃盘?hào)，然后將力信號(hào)、速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波；將濾波后的信號(hào)分別進(jìn)行快速傅里葉變換，然后取力和加速度FFT變換之后的比就得到一個(gè)以頻率為變量的復(fù)函數(shù)；再給定小提琴泛音中的某一頻率，即可得到該頻率的點(diǎn)阻抗值；通過(guò)測(cè)試面板上各矩陣點(diǎn)的點(diǎn)阻抗值后，繪制出面板的等剛度曲線或剛度灰度圖。 通過(guò)繪制的等剛度曲線或等剛度圖像，制作者可以在制作過(guò)程中通過(guò)與高品質(zhì)小提琴的等剛度圖像比較，及時(shí)地改進(jìn)和優(yōu)化共鳴箱的制作過(guò)程。 本作品最大的亮點(diǎn)在于 1）通過(guò)現(xiàn)代測(cè)試手段，將傳統(tǒng)的工匠制作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為圖形信息，使制作經(jīng)驗(yàn)得以傳承； 2）與常規(guī)模態(tài)分析方法相比，采用的點(diǎn)阻抗試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，圖形直接反映了面板厚度信息，便于小提琴制作者使用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 小提琴共鳴箱體的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性是影響小提琴聲學(xué)性能的主要因素。針對(duì)目前高檔小提琴共鳴箱面板的手工制作過(guò)程僅憑制作者經(jīng)驗(yàn)而缺少理論指導(dǎo)的現(xiàn)狀，本作品嘗試采用一種實(shí)用的小提琴共鳴箱振動(dòng)特性測(cè)試方法來(lái)解決經(jīng)驗(yàn)傳承問(wèn)題。即先對(duì)現(xiàn)有的高檔小提琴共鳴箱箱體點(diǎn)阻抗特性進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果繪制成為制作者容易讀懂的振動(dòng)特性曲線或灰度圖形，據(jù)此為其它共鳴箱面板的制作過(guò)程提供參考和借鑒,從而提高小提琴制作水平。 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是：通過(guò)現(xiàn)代測(cè)試手段，將傳統(tǒng)的工匠制作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為圖形信息，使經(jīng)驗(yàn)得以傳承。技術(shù)關(guān)鍵是：用硬件和虛擬儀器搭建實(shí)用的點(diǎn)阻抗特性測(cè)試、分析系統(tǒng)；對(duì)不同的小提琴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步分析點(diǎn)阻抗分布特性與小提琴音響品質(zhì)的關(guān)系。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- （1）小提琴的聲學(xué)特性與小提琴的振動(dòng)特性有著密切的聯(lián)系，通過(guò)機(jī)械阻抗試驗(yàn)的方法可以分析小提琴共鳴箱箱體的振動(dòng)特性。與現(xiàn)在僅憑經(jīng)驗(yàn)制作小提琴相比，嘗試用理論和試驗(yàn)分析的方法指導(dǎo)制作小提琴是科學(xué)的； （2）提供了一種便捷有效的測(cè)試設(shè)備和制作指導(dǎo)方法，制作者在制作過(guò)程中測(cè)出面板相應(yīng)的點(diǎn)阻抗值，通過(guò)與高品質(zhì)小提琴點(diǎn)阻抗參數(shù)進(jìn)行比較，及時(shí)改進(jìn)和優(yōu)化共鳴箱的制作過(guò)程，提高制作水平。（3）目前藝術(shù)類院校和研究單位很少有用工程試驗(yàn)方法來(lái)研究樂(lè)器特性并指導(dǎo)生產(chǎn)的，該作品有利于工程與藝術(shù)學(xué)科的相互借鑒和發(fā)展。參考文獻(xiàn)：古典提琴的設(shè)計(jì)，樂(lè)器，2001，(2) 文獻(xiàn)介紹了小提琴是一種音質(zhì)優(yōu)美、表現(xiàn)力豐富的樂(lè)器。但是,目前價(jià)格不菲的高檔小提琴在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作上基本上是憑經(jīng)驗(yàn)手工制作的,制作過(guò)程缺少理論指導(dǎo)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 自選研究題目，獲學(xué)?？萍蓟顒?dòng)經(jīng)費(fèi)資助。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 向小提琴制作者介紹、推廣
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 該作品通過(guò)測(cè)量小提琴共鳴箱的點(diǎn)阻抗特性，并利用點(diǎn)阻抗分布曲線（圖像）指導(dǎo)手工制作小提琴共鳴箱。查閱文獻(xiàn)資料表明，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有對(duì)小提琴共鳴箱點(diǎn)阻抗特性測(cè)試方法和系統(tǒng)設(shè)備，更沒(méi)有提出用來(lái)指導(dǎo)小提琴制作。該作品不僅能為高檔小提琴的制作提供理論和試驗(yàn)指導(dǎo)，同時(shí)也會(huì)推動(dòng)工程和藝術(shù)類學(xué)科的結(jié)合。與現(xiàn)在高檔小提琴制作的高額費(fèi)用相比該系統(tǒng)本身價(jià)格不高，能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，使用簡(jiǎn)單、方便，因此具有良好的應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 在文獻(xiàn)（李功宇，鄭宇文，弦樂(lè)吉它結(jié)構(gòu)聲振特性的實(shí)驗(yàn)分析，昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(8):19-22）中，李功宇副教授基于結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及頻譜分析技術(shù)，對(duì)弦樂(lè)吉他結(jié)構(gòu)聲振特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。吉它結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)模態(tài)的實(shí)驗(yàn)分析采用脈沖錘瞬態(tài)激勵(lì)測(cè)試分析方法。 李功宇副教授設(shè)計(jì)的吉他結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)狀態(tài)為琴身軸線鉛垂、頸部柔性支撐。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)共布置有52個(gè)，頂板測(cè)點(diǎn)布置如圖2,背板測(cè)點(diǎn)布置與頂板相同。此外，在吉他琴把及測(cè)板上還分別布置有四個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。在測(cè)試過(guò)程中，將加速度計(jì)固定放置于頂板7＃點(diǎn)測(cè)量脈沖響應(yīng)，脈沖順序?qū)Ω鳒y(cè)點(diǎn)進(jìn)行脈沖激勵(lì)。通過(guò)模態(tài)分析的一些理論，求出實(shí)驗(yàn)吉他的模態(tài)振型和參數(shù)。他綜合實(shí)驗(yàn)吉他六弦彈奏聲音歷程及頻譜分析，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)彈奏者聲質(zhì)聽(tīng)覺(jué)比較，初步得出：當(dāng)琴弦振動(dòng)頻率與琴身振動(dòng)模態(tài)頻率耦合時(shí)，琴弦振動(dòng)會(huì)激發(fā)琴體相應(yīng)的固有模態(tài)振動(dòng)，弦振聲易產(chǎn)生聲波持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、且具有和弦音的效果。他的研究?jī)H僅局限于吉他結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及彈奏聲的頻譜分析，并沒(méi)有得出結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)與吉他彈奏音質(zhì)的關(guān)系特性，更沒(méi)有提出運(yùn)用分析結(jié)果指導(dǎo)吉他的制作。試驗(yàn)數(shù)據(jù)是采用交叉阻抗獲取的。 有關(guān)共鳴箱式弦樂(lè)樂(lè)器的研究方法還有一些，但都只是研究試驗(yàn)樂(lè)器本身振動(dòng)特性。本作品研究方法是基于小提琴共鳴箱面板傳統(tǒng)手工制作的過(guò)程特征以及制作者的需要，提出了面板點(diǎn)阻抗特性測(cè)試并轉(zhuǎn)化為參考圖形的方法，能為小提琴的制作加工過(guò)程提供一個(gè)直觀的指導(dǎo)。
