專利名稱：一種鋼琴音板聲振動與點振動特性測試方法及其專用設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及樂器生產制作與聲學品質測試領域，特別涉及一種鋼琴音板聲振動與
點振動特性測試方法和專用設備。
背景技術：
前人的研究成果及實際生產經驗業(yè)已表明只有少數的幾種木材適合制作鋼琴音 板，其中云杉屬木材是制作鋼琴音板的最佳材料?，F代立式鋼琴和三角鋼琴的音板，共有三 部分組成，即共振板(由許多小板條膠拼的薄木板)、弦馬(共振板的正面粘貼的方木條)、 肋木(共振板的背面粘貼的和共振板木條數相同的木條)。音板的作用是將琴弦的振動能 量通過共振機制有效地轉化為空氣的振動，向空間輻射聲能，并美化其音色。音板的聲學振 動性能在很大程度上決定了鋼琴的質量。 在傳統(tǒng)的鋼琴音板生產工藝中，從木材選料到共振板的制作，再到音板的最終成 型，主要依賴于技師的觀、掂、敲、聽等方式，通過主觀評判和經驗，判斷音板的聲振動性能 優(yōu)劣，籍此進行調律，由于沒有具體、系統(tǒng)的科學依據和測試工具，使得音板的振動性能以 及由此決定的音色存在很大的不確定性；另一方面，木材作為一種共振發(fā)聲材料，在改變其 厚度或弧度時，它的振動特性也隨之發(fā)生變化，也就是說木材的聲共振性能在一定范圍內 是可以控制的，而現實的情況是在音板生產實踐中，無從測定振動特性及其變化，音板一旦 制成，即使發(fā)現在振動上存在缺陷，很難再對其進行調整。傳統(tǒng)的制琴工藝使得鋼琴音色的 改善和質量的提高受到限制。 根據國內外文獻和專利數據庫檢索，目前對樂器(鋼琴)音板的聲振動特性研究， 集中于對適合制作樂器音板的木材單元的聲學振動性能進行評價，很少涉及對已制作好的 整塊音板成品的聲振動特性的研究，關于音板聲振動特征的測試技術，尚沒有此方面研究 成果的報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明主要解決鋼琴音板制作環(huán)節(jié)中沒有科學的聲振動特性檢測方法的問題，目 的是為鋼琴聲學品質的客觀評價和音板調律提供一個科學的測定方法和手段。在設計思路 上，首先應用人工方法(音頻換能技術)激勵音板或共鳴板振動后，輻射出聲能；然后使用 音頻測量技術探測空氣的振動(反映音板整體的振動特性)，使用振動測量技術探測音板 局部區(qū)域的振動；之后將聲振動信號和音板局部振動信號輸入數據采集卡，由計算機頻譜 系統(tǒng)進行數據處理，最后將兩種形式的振動方式定量化，以圖形化形式表現出來。本發(fā)明從 本質上說是延伸了制作技師對聲音振動和琴板振動的感知能力，作為一種輔助工具，對鋼 琴音板的定向調律和音色控制將起到重要作用。
本發(fā)明的技術路線包括以下四個方面 1、人工激勵振動源。利用磁致伸縮技術，激勵音板產生兩種形式振動(1)頻率隨 時間變化的掃頻振動；(2)標準純頻率正弦波振動。
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2、音板整體聲振動特性的測試。利用音頻測試技術，測量音板在掃頻振動激勵下 形成的聲波輻射，即音板發(fā)出的聲音，該聲波輻射實際反映音板整體對不同振動頻率的響 應能力。探測器以電信號形式輸出，信號強度與聲壓(琴板振動響應能力)成正比。信號 經數據采集和模數轉換后，借助計算機頻譜系統(tǒng)經快速傅利葉變換(FFT)和頻域分析，以 共振頻率響應曲線或頻譜圖形式顯示出音板的聲振動特性。 3、音板局部區(qū)域振動特性測試。不同頻率在琴板上振動響應位置不同，找到各頻 率振動在音板上的精確定位是振動測試的一項重要內容。首先由音頻換能器產生標準純頻 率正弦波振動，利用加速度傳感器，感知音板振動時發(fā)生的微弱形變，并產生電信號，信號 強度與該音板區(qū)域的振動強度成正比。信號經計算機頻譜系統(tǒng)分析后，測量出琴板不同區(qū) 域的振動幅度，以此確定琴板振動敏感點，即"穴位"。 4、音板定向調律。以標準鋼琴或名琴為模板。首先測定標準琴音板的共振頻率響 應曲線或頻譜圖，然后在新琴音板制作過程中，借助音板整體振動和局部區(qū)域振動特性測 試，通過不斷修削琴板的厚度或改變音板的弧度，將新琴音板的共振頻率響應曲線調整到 與標準音板相同的狀態(tài)，以達到定向調律的目的。 本發(fā)明為了解決上述技術問題采用的技術方案是提供一種鋼琴音板聲振動與點 振動特性測試方法和專用設備。所述鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備，包括信 號發(fā)生器、功率放大器、音頻換能器、測量傳聲器、測量放大器、振動傳感器、電荷放大器、信 號調理器、數據采集器、頻譜分析軟件和計算機，所述頻譜分析軟件安裝在計算機上，所述 信號發(fā)生器、功率放大器和音頻換能器相連，所述測量傳聲器、測量放大器與數據采集器相 連，所述振動傳感器、電荷放大器、信號調理器與數據采集器相連，所述數據采集器和計算 機相連。 根據本發(fā)明所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備的一優(yōu)選技術方 案所述信號發(fā)生器為掃頻音頻信號發(fā)生器，信號發(fā)生器的功能可以由計算機專用軟件替 代。 根據本發(fā)明所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備的一優(yōu)選技術方 案所述音頻換能器為超磁致伸縮音頻換能器。 根據本發(fā)明所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備的一優(yōu)選技術方 案所述振動傳感器為加速度傳感器，加速度傳感器與電荷放大器或集成在一個裝置內，或 分開安裝。 根據本發(fā)明所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備的一優(yōu)選技術方 案所述測量傳聲器為電容式傳聲器或駐極體靜電傳聲器。 根據本發(fā)明所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備的一優(yōu)選技術方 案所述數據采集器為數字音頻接口。 根據本發(fā)明所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備的一優(yōu)選技術方 案所述頻譜分析軟件運用FFT算法，即快速傅立葉變換法算法。 本發(fā)明還提供了一種鋼琴音板聲振動與點振動特性測試方法，所述鋼琴音板聲振 動與點振動特性測試方法包括兩項方法，即音板整體聲振動特性測試方法和音板局部點振 動特性測試方法，這兩項方法或相互獨立進行，或組合進行。 所述的音板整體聲振動特性測試方法涉及到音頻掃頻信號發(fā)生器、功率放大器、磁致伸縮音頻換能器、測量傳聲器、測量放大器、數據采集器、專業(yè)頻譜分析軟件和計算機，
所述的音板整體聲振動特性測試方法的實現包括如下步驟 第一步將音板或共鳴板固定在磁致伸縮音頻換能器的接觸面上； 第二步掃頻信號發(fā)生器或計算機軟件產生一個頻率隨時間變化的掃頻信號，由
音頻換能器激勵音板產生振動； 第三步音板振動輻射的聲音被測量傳聲器接收，信號進入數據采集器，通過專業(yè) 頻譜分析軟件進行計算和頻譜分析后，顯示音板的共振頻率響應曲線或頻譜圖；
第四步根據共振頻率響應曲線或頻譜圖，判斷分析音板總體的聲振動特征。
所述的音板局部點振動特性測試方法涉及到音頻掃頻信號發(fā)生器、功率放大器、 磁致伸縮音頻換能器、加速度傳感器、電荷放大器、信號調理器、數據采集器、專業(yè)頻譜分析 軟件和計算機，所述音板局部區(qū)域點振動特性測試方法的實現包括如下步驟
第一步將音板固定在磁致伸縮音頻換能器的接觸面上； 第二步掃頻信號發(fā)生器或計算機軟件產生一個標準純頻率正弦波信號，由音頻 換能器激勵音板產生振動； 第三步將振動傳感器放置在音板的某一點上，音板振動引起的形變和位移被加 速度傳感器接收，轉變?yōu)殡娦盘?，之后進入數據采集器，通過專業(yè)頻譜分析軟件進行計算和 頻譜分析后，顯示測試區(qū)域的振動幅度； 第四步反復移動傳感器，根據計算機顯示的不同測試區(qū)域的振動幅度，確定音板 在該激勵頻率下的振動敏感點，即"穴位"。 應用上述兩項振動測試方法，結合音板共振頻率曲線和某一頻率的振動敏感點即 穴位的測試結果，通過不斷改變音板的弧度及修削音板的厚度，使音板的振動特征發(fā)生變 化，從而將音板的音色調律到最佳狀態(tài)。 本發(fā)明的優(yōu)點在于將磁致伸縮、音頻測量、振動測量和計算機頻譜分析等現代技 術應用于鋼琴音板制作過程中，方法具有靈敏度高、測量快速準確、直觀性強的優(yōu)點，能夠 定向控制音板的音色，為鋼琴音板聲學品質的客觀鑒定、評價和調律提供了科學的方法和 手段。 本發(fā)明所述的方法和專用設備還可以應用于吉他、豎琴和琵琶等樂器共鳴板的制 作和調律中。


圖1為本發(fā)明所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性方法的原理圖； 圖2為本發(fā)明所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性專用設備設計圖。 附圖標識 1音頻掃頻信號發(fā)生器 2功率放大器 3音頻換能器 4琴板 5 LC內裝IC加速度傳感器 6 ISK電容麥克 7信號調理器 8 ICON專業(yè)火線音頻接口 9計算機頻譜分析系統(tǒng)
具體實施例方式
下面結合具體的實施例與說明書附圖對本發(fā)明做詳細說明。
1、鋼琴音板聲振動與點振動特性專用設備 本實施例提供的一種鋼琴音板聲振動與點振動特性專用設備，按照圖1連接，原 理如圖2所示，包括信號發(fā)生器、功率放大器、音頻換能器、測量傳聲器、測量放大器、振動 傳感器、電荷放大器、信號調理器、數據采集器、頻譜分析軟件和計算機，所述頻譜分析軟件 安裝在計算機上，所述信號發(fā)生器、功率放大器和音頻換能器相連，所述測量傳聲器、測量 放大器與數據采集器相連，所述振動傳感器、電荷放大器、信號調理器與數據采集器相連， 所述數據采集器和計算機相連。 依據圖2，本發(fā)明對所使用的組件進行了優(yōu)化選型，配置如下 (1)音頻掃頻信號發(fā)生器選用常州同惠一TH1312-20，該儀器為33/4位LCD顯
示、正弦波輸出、信號失真小、穩(wěn)定性好、頻率范圍覆蓋整個音頻范圍?？墒謩诱{頻，也可對
數掃頻，掃頻起點、終點及掃頻時間均可按需設置。 (2)磁致伸縮音頻換能器選用甘肅天星稀土功能材料有限公司加工制作的B15 音頻換能器，頻響范圍80Hz-15KHz，響應速度快可達到微秒級，控制精度達納米級，能量轉 換率高達70%以上，聲功率為15W。所述音頻共振換能器為磁致伸縮音頻換能器(又名為 大磁致伸縮音頻換能器)，專利號為00268460. 8。 (3)加速度傳感器選用郎斯測試技術有限公司生產的LC119T內裝IC壓電加速 度傳感器，傳感器與電荷放大器集成，靈敏度500mV/g，頻率范圍0. 7-10000Hz，分辨率為 0.00004g。 (4)數據采集卡選美國ICON FireXon火線4入4出音頻接口，帶48V幻象電源 和電信號前級放大功能。 (5)計算機頻譜分析系統(tǒng)由專業(yè)軟件和計算機組成。專業(yè)頻譜分析軟件運用
FFT算法，即快速傅立葉變換法算法，本裝置采用美國So皿dTechnology公司開發(fā)的FFT
Spectalab anyalysis system (version 4. 32)作為頻譜分析軟件。所述計算機用于專業(yè)頻
譜軟件運行，進行數據運算以及顯示分析結果，操作系統(tǒng)為windows XP Professional 以上組成按照圖1連接，即為本發(fā)明的琴板振動特性測試專用設備。 2、鋼琴音板聲振動與點振動特性方法的說明其及在調律中的應用 本實施例提供了一種鋼琴音板聲振動特性的測試方法，有關的技術原理見圖2。所
述鋼琴音板聲振動與點振動測試方法及在音板調律中的應用，包括如下步驟 第一步標準音板的制備。選擇若干塊音質較好(經專業(yè)人員主觀判定)的鋼琴
音板，在低音弦馬上設定1個測量點(A)，以中、高音弦馬上設定2個測量點(B和C)，然后
使用本發(fā)明所述的音板整體聲振動特性測試方法，取得每一塊音板的3個測試點的共振頻
率響應曲線A、 B和C。對這些音板的曲線進行統(tǒng)計分析，確定一塊音板的3個測試點的共
振頻率曲線(A。、B。、C。)作為標準模板。 第二步新音板的制作與振動特性測試。 (1)在共振板、肋木和弦與的木材的選料環(huán)節(jié)，除了進行木材傳聲速度、對數衰減 系數、彈性模量和聲輻射常數等指標的測試外，利用本方面提供的音板整體聲振動特性測 試方法，測量素材的聲振動特性，作為選材的重要依據之一。
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(2)音板制作完成后，在A、 B、 C三個測量點，使用音板整體聲振動特性測試方法， 取得新音板的三條共振頻率響應曲線(A" Bp C》，將這些曲線分別與標準音板的A。、 B。、 C。 比較分析，記錄新琴板上振動異常、振幅較大的的頻率點。 (3)由音頻信號發(fā)生器產生純頻率正弦波信號，輸入給音頻換能器，在音板A、 B、 C三個測量點激勵音板振動，使用本發(fā)明音板局部區(qū)域點振動幅度測試方法，借助振動傳感 器和計算機頻譜分析，找到該頻率的若干個振動點，即完成異常振動區(qū)域的定位測試。
第三步新音板的調律操作。在異常振動區(qū)域定位測試完成后，使用刨具刮削該區(qū) 域的音板厚度，使該區(qū)域的振動特征發(fā)生變化。這一操作過程應在音板整體聲振動特性測 試方法和音板局部點振動特性測試方法的監(jiān)控下緩慢仔細進行，直到將新音板的三條共振 頻率響應曲線(ApBpC》調整到與標準音板的曲線(A。、B。、C。)基本吻合，至此完成音板調 律工作。 以上內容是結合具體的優(yōu)選技術方案對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的 保護范圍。
權利要求
一種鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備，其特征在于所述鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備，包括信號發(fā)生器、功率放大器、音頻換能器、測量傳聲器、測量放大器、振動傳感器、電荷放大器、信號調理器、數據采集器、頻譜分析軟件和計算機，所述頻譜分析軟件安裝在計算機上，所述信號發(fā)生器、功率放大器和音頻換能器相連，所述測量傳聲器、測量放大器與數據采集器相連，所述振動傳感器、電荷放大器、信號調理器與數據采集器相連，所述數據采集器和計算機相連。
2. 根據權利要求1所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備，其特征在于 所述信號發(fā)生器為掃頻音頻信號發(fā)生器，信號發(fā)生器的功能可以由計算機專用軟件替代。
3. 根據權利要求1所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備，其特征在于 所述音頻換能器為超磁致伸縮音頻換能器。
4. 根據權利要求1所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備，其特征在于 所述振動傳感器為加速度傳感器，加速度傳感器與電荷放大器或集成在一個裝置內，或分 開安裝。
5. 根據權利要求1所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備，其特征在于 所述測量傳聲器為電容式傳聲器或駐極體靜電傳聲器。
6. 根據權利要求1所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備，其特征在于 所述數據采集器為數字音頻接口 。
7. 根據權利要求1所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備，其特征在于 所述頻譜分析軟件運用FFT算法，即快速傅立葉變換法算法。
8. —種鋼琴音板聲振動與點振動特性測試方法，其特征在于所述鋼琴音板聲振動與 點振動特性測試方法包括兩項方法，即音板整體聲振動特性測試方法和音板局部點振動特 性測試方法，這兩項方法或相互獨立進行，或組合進行。
9. 根據權利要求8所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試方法，其特征在于所述 的音板整體聲振動特征測試方法涉及到音頻掃頻信號發(fā)生器、功率放大器、磁致伸縮音頻 換能器、測量傳聲器、測量放大器、數據采集器、專業(yè)頻譜分析軟件和計算機，所述的音板整 體聲振動特征測試方法的實現包括如下步驟第一步將音板或共鳴板固定在磁致伸縮音頻換能器的接觸面上；第二步掃頻信號發(fā)生器或計算機軟件產生一個頻率隨時間變化的掃頻信號，由音頻 換能器激勵音板產生振動；第三步音板振動輻射的聲音被測量傳聲器接收，信號進入數據采集器，通過專業(yè)頻譜 分析軟件進行計算和頻譜分析后，顯示音板的共振頻率響應曲線或頻譜圖；第四步根據共振頻率響應曲線或頻譜圖，判斷分析音板總體的聲振動特征。
10. 根據權利要求8所述的鋼琴音板聲振動與點振動特性測試方法，其特征在于所 述的音板局部點振動特性測試方法涉及到音頻掃頻信號發(fā)生器、功率放大器、磁致伸縮音 頻換能器、加速度傳感器、電荷放大器、信號調理器、數據采集器、專業(yè)頻譜分析軟件和計算 機，所述音板局部區(qū)域點振動特性測試方法的實現包括如下步驟第一步將音板固定在磁致伸縮音頻換能器的接觸面上；第二步掃頻信號發(fā)生器或計算機軟件產生一個標準純頻率正弦波信號，由音頻換能 器激勵音板產生振動；第三步將振動傳感器放置在音板的某一點上，音板振動引起的形變和位移被加速度 傳感器接收，轉變?yōu)殡娦盘?，之后進入數據采集器，通過專業(yè)頻譜分析軟件進行計算和頻譜 分析后，顯示測試區(qū)域的振動幅度；第四步反復移動傳感器，根據計算機顯示的不同測試區(qū)域的振動幅度，確定音板在該 激勵頻率下的振動敏感點，即"穴位"。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋼琴音板聲振動與點振動特性測試方法及其專用設備。所述聲振動與點振動測試方法將磁致伸縮、音頻測量、振動測量和計算機頻譜分析等現代技術應用于鋼琴音板制作過程中，利用聲傳感器和振動傳感器分別探測音板的整體聲振動信號以及局部區(qū)域的點振動信號，然后通過計算機頻譜系統(tǒng)，分析音板綜合振動特性，實現定向對音板進行調律。該方法具有靈敏度高、測量快速準確、直觀性強的優(yōu)點，能夠有效控制音板的音色，為鋼琴音板聲學品質的客觀鑒定、評價和調律提供了科學的方法和手段。所述鋼琴音板聲振動與點振動特性測試專用設備主要包括音頻掃頻信號發(fā)生器、磁致伸縮音頻換能器、測量傳聲器、加速度傳感器、數據采集卡、專業(yè)頻譜分析軟件和計算機等。
文檔編號G10C9/00GK101793873SQ201010119899
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月2日 優(yōu)先權日2010年3月2日
發(fā)明者王宏偉, 王詩華 申請人:王宏偉