关键词:
古筝面板
琴弦
振动特性
静力响应
动力响应
摘要:
音板是木质乐器的重要组成部分,音板的振动特性及力学性能是影响其声学品质的重要因素,由于木材的特殊构造,木质乐器的共鸣体或面板在弦力加载下会受到复杂的应力作用,从而使其发生刚度变化和微小形变,导致其共振频率及振动模式会不同于原本的状况,最终的响应效果也随之受到影响。本研究以框架式古筝的泡桐材质面板为研究对象,分析古筝面板的厚度及拱高对其振动模态的影响;分析面板在不同弦力工况下的静力响应,探讨了变形及应力响应与力学因素、厚度分布之间的内在联系;探讨基于快速傅里叶变换和希尔伯特-黄变换对面板振动信号进行分析的适用性,分析面板在特定频率的琴弦激振力作用下的应变响应规律。本研究的主要内容与结果如下:(1)通过试验与有限元手段对古筝面板的振动模态进行研究,对比验证了本研究所建立的古筝仿真模型及其参数的合理性,分析了面板的厚度及拱高对其各阶共振频率及静态响应的影响规律,发现古筝面板厚度由11 mm减小到7 mm、拱度由“板首45mm-板尾32 mm”降低到“板首35 mm-板尾25 mm”,整体有利于古筝面板取得更低的共振频率,获得更好的低频响应能力,增强古筝低频段的声功能辐射。在本研究一系列面板模型中,中音区10 mm厚、低音区9 mm厚、高音区8 mm厚这一厚度配置,能较为有效地抑制古筝面板在静态张力作用下的变形,这便于制琴师在确定古筝面板厚度参数时综合考虑面板的结构承载能力和低频响应能力,以生产出具有理想力学性能与声学品质的古筝,避免盲目性。(2)应用有限元手段,将通过弦头、琴码和前后岳山作用在面板上的琴弦分力施加到对应位置,对面板各方向的位移场、应力场、应变场进行计算并研究其规律,用以分析古筝面板在此静态荷载下的结构响应,研究发现当撤去16~21号弦拉力后,面板长度方向形变峰值降低了53.55%,应力峰值降低了55.08%,面板厚度方向形变峰值降低了43.10%,应力峰值降低了72.54%,有效抑制了面板的动态响应,且受力区域的响应程度分布更为均匀。说明通过装配加强板从而分担面板所承受的较高弦力传递过来的载荷,可有效降低古筝面板的面内应力,增强其尺寸稳定性,实现更高的承载能力,延长古筝寿命。(3)基于快速傅里叶变换和希尔伯特-黄变换的信号处理方法对数据进行分析,通过有限元分析法进行验证,证明了对于频率成分随时间变化的古筝面板振动信号,希尔伯特-黄变换法能够通过选取目标频率分量进行时频分析,一定程度上减弱模态混叠,捕捉到不同工况下面板瞬时频率的微小变化,具有较好的适用性。该结果可为乐器音板振动信号的提取与分析提供一定新思路。(4)采用谐响应分析预测不同频率激振力作用下的应力响应状况,进行应变测量与瞬态响应分析,得到面板在各频率的激振力作用下的应变响应情况,证明当琴弦振动的基频接近古筝面板的共振频率,面板的共振得到加强,应变响应增大约2.64倍。该结果对古筝面板的选材制作与性能改进具有一定科学参考意义:通过改变不符合要求的共鸣面板用木材的参数,以调整其某一频率下的共振效果,而不是直接将其丢弃,从而缓解原材料供应减少的困难。