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几种典型民族乐器木质共鸣体的声学振动性能检测与分析

作　者: 黄英来
导　师: 刘一星
学　校: 东北林业大学
专　业: 木材科学与技术
关键词: 民族乐器模态分析表面波声辐射强度纹理识别
分类号: TS953.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文首先对国内外乐器音板用材的现状以及我国民族乐器共鸣用材的振动性能、选材与加工的研究进展进行了阐述与分析。通过分析可以看出,虽然乐器从业者及研究人员认识到木材对于乐器的重要作用,但关于我国民族乐器用木材的声学振动性能研究主要局限于木材振动性能指标的测试,并未与我国民族乐器共鸣用材相结合。而在乐器用木材的选材与加工方面,也只是进行简单的介绍,并没有进行实质性的科学验证试验。针对上述问题,本文以我国几种典型民族乐器(琵琶、月琴、阮等)为对象,对乐器共鸣构件用木材(素材)、共鸣板、共鸣面板、独立共鸣构件(共鸣构件)及乐器成品中的共鸣构件(共鸣箱)的声学振动性能展开深入研究,具体研究结果如下：1)根据基于统计的纹理分析思想,进行了基于纹理图像检测技术的民族乐器选材方法的研究。以纹理间距矩阵表征木板纹理疏密程度作为判断其用于制作乐器的适用性的特征,通过对用于制作琵琶、阮、月琴三种乐器的木材面板进行纹理间距情况的测算,得到各自的纹理间距矩阵,并分析了纹理宽度与振动性能的关系,为共鸣面板用木材的外观初选提供了一定的科学理论基础和技术支撑。2)检测分析影响乐器音质的主要特性——振动特性的一般原理和检测实验的方法,探索并初步确立了民族乐器共鸣用木质构件的声学属性检测方法。在以往研究的基础上,结合乐器制作师的实践经验选择试验用素材,检测、分析试验用素材的声学振动性能,采用综合评分法和综合坐标法对所选弹拨乐器共振面板用木材的综合声学振动特性进行了综合评价与区分。3)基于薄板动力学的基本理论,采用实验模态分析法的方法对乐器共鸣板声学振动性能进行研究,并根据模态的特性选取固有频率、阻尼比和模态振型作为参数。根据琵琶、月琴、阮的乐器共鸣面板构成特点,确定了实验模态分析的实验方法；通过位移与曲率的关系、曲率变化率、弯矩,根据振动原理确定了实验模态分析的圆形薄板和仿梨形薄板的无阻尼自由振动方程解,通过实测所得的激励和响应确定了第r阶模态的振型系数矩阵；对乐器共鸣面板的振动模态进行分析,结果表明月琴、阮共鸣面板的各阶振动振型基本呈纵轴(顺纹理方向,y轴)和横轴(横纹理方向,x轴)对称,而琵琶共鸣面板只呈纵轴对称,并不成横轴对称。4)在民族乐器共鸣用木质构件的声学属性检测方法基础上,综合、系统地分析反映共鸣构件声学品质的基本参数。选取可有效表征共鸣用木质构件声学性能的客观指标,通过对琵琶、月琴、阮三种乐器共鸣面板、共鸣构件和共鸣箱的表面波传播速度和琵琶、月琴、阮、二胡四种乐器共鸣面板、共鸣构件和共鸣箱的声辐射强度进行了顺纹理方向、斜纹理方向、横纹理方向测试,探索得出了相应的规律。对于琵琶、月琴、阮三种乐器共鸣面板阶段表面波传播速度和声辐射强度值最小,共鸣构件阶段声辐射强度最大,每种乐器在三个阶段的声辐射强度的走向趋势一致。共鸣箱阶段横纹理方向表面波传播速度速度最快,其它方向各有交错,总体呈现以共鸣箱阶段表面波传播速度值较大为主。二胡共鸣构件阶段声辐射强度值最大,但共鸣箱阶段三种木材声辐射强度值与共鸣构件阶段走向趋势却恰好颠倒,原来的最大值此时变为最小值。系统地研究了用于共鸣木质构件的木材(素材)、共振板、共鸣面板、制成独立构件的共鸣木质构件、组装成乐器后作为乐器其中一个组件的共鸣箱等各阶段的声学属性,以及它们与乐器成品声学品质之间的内在关系,从木材声学的角度,挖掘影响乐器声学品质的主要因素。有机地结合乐器厂制作师的实际工作经验,其结果可为实现民族乐器共鸣用木材的科学选材提供一定的理论研究基础和科学依据。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-24
  1.1 引言  14
  1.2 民族乐器应作为“民族特色非物质文化遗产”进行保护  14-15
  1.3 推动民族乐器的产业发展  15-16
  1.4 木材是制作民族乐器共鸣构件的重要材料  16-17
  1.5 我国民族乐器制作尚未实现科学选材  17
  1.6 国内外研究现状  17-21
    1.6.1 我国对民族乐器音板用材的研究  17-19
    1.6.2 国外对乐器共鸣用音板用材的研究  19-21
  1.7 亟待解决的关键问题和发展趋势  21-22
  1.8 本论文依托项目来源及主要研究内容  22-24
    1.8.1 论文依托项目来源  22
    1.8.2 研究内容  22-24
2 试验材料与振动特性试验方法  24-31
  2.1 试验材料及实验设备  24-27
    2.1.1 试验材料  24-25
    2.1.2 主要实验设备  25-27
  2.2 研究路线  27
  2.3 乐器共鸣板素材振动特性试验方法及实验原理  27-30
    2.3.1 乐器共鸣板素材实验原理  27-29
    2.3.2 乐器共鸣板素材试验方法  29-30
  2.4 本章小结  30-31
3 基于统计方法的纹理图像选材方法研究  31-43
  3.1 纹理及纹理识别概述  31-33
  3.2 基于Canny算子的边缘检测  33-34
  3.3 实验结果分析  34-42
  3.4 本章小结  42-43
4 乐器共鸣面板(箱)用木材的选配方案  43-59
  4.1 乐器共鸣面板(箱)用木材基础数据测定  43-45
  4.2 乐器共鸣面板(箱)用木材振动特性的测定  45
  4.3 乐器共鸣面板(箱)用木材振动性能评价  45-55
    4.3.1 振动特性综合分析理论  46-47
    4.3.2 乐器共鸣面板(箱)用木材振动特性综合分析  47-50
    4.3.3 弹拨乐器共鸣面板用素材振动性能分级  50-55
  4.4 乐器共鸣板的拼接方案  55-58
  4.5 本章小结  58-59
5 乐器共鸣面板的声学性能检测与分析  59-86
  5.1 乐器共鸣面板声学振动模态测试与分析  59-77
    5.1.1 乐器共鸣面板的振动模态实验原理  59-63
    5.1.2 乐器共鸣面板的振动模态实验方法  63-64
    5.1.3 乐器共鸣面板的振动模态分析  64-77
  5.2 表面波传播速度检测  77-80
    5.2.1 试验方法  77-78
    5.2.2 实验原理及数据分析  78-80
  5.3 乐器共鸣面板表面声辐射强度检测  80-84
    5.3.1 乐器共鸣面板声辐射强度实验原理  80-82
    5.3.2 乐器共鸣面板声辐射强度试验方法  82-83
    5.3.3 乐器共鸣面板声辐射强度数据分析  83-84
  5.4 乐器共鸣构件的制作  84
  5.5 本章小结  84-86
6 乐器共鸣构件及共鸣箱声学性能检测与分析  86-93
  6.1 乐器共鸣构件表面波传播速度的检测与分析  86-88
  6.2 乐器共鸣构件声辐射强度的检测与分析  88-89
  6.3 乐器共鸣箱表面波传播速度检测与分析  89-91
  6.4 乐器共鸣箱声辐射强度检测与分析  91-92
  6.5 本章小结  92-93
7 乐器木质共鸣体声学振动性能分析  93-98
  7.1 乐器共鸣体各阶段表面波传播速度对比  93-94
  7.2 乐器共鸣体各阶段声辐射强度对比  94-96
  7.3 乐器共鸣面板纹理宽度与振动性能的关系  96-97
  7.4 本章小结  97-98
结论  98-101
参考文献  101-107
攻读学位期间发表的学术论文  107-108
致谢  108-109

几种典型民族乐器木质共鸣体的声学振动性能检测与分析

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