弦乐吉它结构声振特性的实验分析

　　引　　言

　　吉它由四大基本部件组成:即顶板、背板、琴把及琴弦。顶板和背板主要由木质薄板(单板或夹板)制成,顶板厚度约为2.413mm-3.175mm,板内胶接有调节薄板共振频率的支柱条;琴把通常亦由木材制成,其内有钢、铝或石墨加强杆;琴弦主要有钢弦及尼龙弦。

　　琴把结构的力学模型类似于悬臂梁,其刚度主要由加强杆确定;加强杆起着增强琴把刚性、抵御琴弦张力引起结构变形的作用。经典吉它的顶板和背板为平板;而现代钢弦吉它结构的顶板和背板具有增强抗弯能力的弯曲结构(弯曲半径约为4.57m-15.24m,背板弯曲半径稍小)。吉它制成之后,调节板振动频率、改善吉它音调的常用途径是改变胶接于顶板、背板内表面支柱条的结构形式[1]。

　　顶板中轴线处的声孔是琴体空气的唯一出口,它与琴体空气腔形成一声学亥姆赫芝共振发生器。理想情况下声孔位于琴把与琴桥之间,当琴弦振动时,弦振动通过声孔传递于琴把与琴身顶板。

　　根据吉它结构的声振设计要求,其琴身结构理想的振动模态应易与琴弦振动耦合[2]。按照常规的定音标准,六弦吉它空弦定音为E2A2D3G3B3E4(对应的振动频率为: 80Hz、110Hz、147Hz、196Hz、247Hz和330Hz);加之吉它的半音域,六弦吉它的基本弦振频率范围约为两个倍频程,频率数值从80Hz到1320Hz。

　　依据吉它固有振动及发声设计理论,琴身结构第一阶固有振动模态应为顶板及背板以其边沿约束固定的无节线弯曲模态,顶板与背板应呈反向振动;振动频率应为80Hz邻域。当吉它以此阶模态振动时,反向振动的顶板和背板交变地增大或减小琴体内空气腔体积;吉它设计师称此结构模态为亥姆赫芝共振器,见图1,或呼吸模态。琴身结构第二阶振动模态与第一阶振动模态形态相似,但要求顶板及背板作同向振动,琴体空气体积不变;此模态振动频率预期值为200Hz邻域[2]。

　　1　国产吉它固有振动模态的实验分析

　　1.1　测试系统

　　在图2所示的测试系统中,脉冲激励力信号由置于脉冲锤头部的力传感器测量,脉冲响应信号由微质量加速度计测量;激励及响应测量信号同时输入BK2034双通道信号分析仪进行传递函数、相干函数等分析。

　　吉它弹奏的声音信号通过电容传声器测取;声谱分析由BK2034信号分析仪完成。

　　1.2　测试状态

　　吉它结构振动模态特性测试实验状态为琴身轴线铅垂、颈部柔性支承。振动测点共布置有52个,顶板测点布置参见图3;背板测点布置与顶板相同。此外,在吉它琴把及侧板上分别布置有4个振动测点。

　　1.3　结构频率响应函数的测试分析