基于Daubechies小波基的木材声学振动信号分析与评价

针对音板木材振动信号分析不深入的问题,本研究基于小波包分析方法对木材振动信号进行分析,建立一种木材声学振动评价的新方法。利用多通道FFT分析仪获取泡桐木材的振动信号,基于Daubechies小波基函数对振动信号进行3层小波包分解与重构,得到了振动信号的特征值,将小波包变换后木材振动信号的特征值与传统方法测定的声学振动性能参数进行比较分析。研究结果表明:木材的振动信号能量主要集中在0～1 000 Hz,在传播的过程中能量衰减迅速;对振动信号进行时域分析时得出,木材的动态弹性模量随着峭度因子的增大而减小,随着峰值因子的增大而增大;基于Daubechies小波基的分析方法得到的振动信号特征值与声学振动参数之间具有显著的相关性,其中木材信号的特征能量率与木材声学振动参数动态弹性模量、声辐射品质常数以及声传播速度之间存在显著的正相关关系,与声阻抗以及对数衰减率的相关性及变化趋势之间有显著的负相关关系。研究表明,可以应用Daubechies小波对木材振动信号进行分析与评价,此方法为木材声学振动性能的客观评价提供了新思路。     

木质材料在乐器与音箱领域的应用进展

介绍木材及木质材料的声学特性及其在音板、指板、木质音箱箱体、木质振膜等领域的使用现状,归纳乐器与音箱用木质材料对声学振动性质的要求,总结国内外木质材料声学功能改良研究的进展,以期为国内木质声学材料的应用研究提供思路。     

我国民族乐器共鸣用木材声学品质的研究现状与发展趋势

简单介绍我国民族乐器的主要研究方向,重点对民族乐器共鸣用材的振动性能、选材与加工2个方面的研究进展进行总结与分析,同时也简要介绍以钢琴为代表的西洋乐器用材声学性能的研究内容与评价方法.通过分析我国民族乐器用木材声学品质研究中存在的不足及实际生产中存在的问题,探讨未来的发展趋势,即今后应着重开展以下几个方面的研究:研究民族乐器共鸣构件用木材的声振动性能与乐器音色、品质的内在联系,建立选材的客观评价方法;开展乐器共鸣构件用木材的选材-共鸣用木质构件-乐器成品中的共鸣用木质构件-乐器声学品质的系统化研究,构建共鸣木质构件的声学振动模型;探索民族乐器共鸣用木材的声学性能改良方法,以改善木材的振动性能.     

乐器共鸣板用木材声学振动性能改良研究现状及趋势

木材是制作乐器共鸣板的重要材料, 木材的声学性能在很大程度上决定了乐器的声学品质。文中在分析乐器板用木材声学振动性能改良的着手点与切入点的基础上, 总结木材声学振动性能改良方面的研究进展, 认为以下几个方面将成为未来研究的热点:1)从弹性模量、比弹性模量、声辐射品质常数和声阻抗等指标出发进行木材声学性能功能性改良研究; 2)开展乐器共鸣板用木材的替代树种用材的功能性改良研究, 扩大可用于制作乐器共鸣板的资源范围; 3)从改善木材声学振动效率和振动音色角度进行木材功能性改良的研究; 4)开展新型的乐器共鸣板用材研究。     

共振板振动特性与钢琴声学品质主观评价的关系

选取俄罗斯远东红皮云杉、东北长白鱼鳞云杉、西藏林芝云杉、美国西加云杉4个树种的试件,每树种2块共制作8块共振板,采用基于打击音的快速傅里叶变换(FFT)频谱方法分析共振板的振动特性,计算得出共振板不同方向的动态弹性模量、纵波传播速度、共振板边部剩余试件动弹性模量及共振板制作钢琴后的振动传播响应时间.利用共振板制作成试验用钢琴后,采用专家主观评价的方式对钢琴的声学品质进行评价.通过分析共振板振动特性参数与钢琴声学品质主观评价得分之间的关系得出,共振板y方向的振动特性参数与钢琴声学品质主观评价得分项目之间呈一定程度或显著的线性相关,而x方向的振动特性参数与主观评价得分项目之间的相关关系明显弱于y方向.因此,通过改善共振板y方向的振动特性可显著提高钢琴的声学品质,也说明了共振板y方向的振动特性参数检测对于钢琴声学品质评价的重要性.共振板y方向的振动特性参数与钢琴声学品质主观评价得分之间的相关性大于x方向的相关性,这一规律与音板上高、中音区域的琴弦排列和音板的y方向接近平行、低音区域琴弦排列及y方向的夹角小于x方向的结构特点有关.     

抽提处理对泡桐木材声学振动性能的影响

【目的】探究抽提处理对乐器用泡桐木材声学振动性能的影响,为木材声学品质改良提供理论依据,促进我国乐器产品声学品质提高,缓解乐器共鸣板用优质木材资源日益匮乏的局面。【方法】采用苯甲醇、去离子水、二氯甲烷和无水乙醇4种溶剂对泡桐木材进行15天的抽提处理,基于两端自由的弯曲振动方法,测定并分析抽提处理对木材弹性模量E、剪切模量G、比动弹性模量E/ρ、对数衰减系数σ、声阻抗ω、声辐射品质常数R、E/G、传声速度υ、传输参数υ/σ、声转换效率υ/(σ·ρ)等声学振动性能参数的影响规律,并通过微观结构观察、红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)的变化,分析抽提处理对木材声学振动性能的影响机理。【结果】经去离子水、二氯甲烷、苯甲醇和无水乙醇抽提处理后,泡桐木材声学振动性能参数均发生变化。比动弹性模量E/ρ、声辐射品质常数R和传声速度υ平均增加7.67%、11.36%和3.75%,其中经二氯甲烷抽提处理的改善效果最佳,增幅分别为13.99%和17.28%和6.77%;声阻抗ω和对数衰减系数σ平均降低3.23%和19.42%,经去离子水抽提处理后其下降程度最大,降幅分别为-5.03%和-23.45%...     

实际尺寸乐器音板用云杉属木材的声学振动特性

以生产中使用的实际尺寸乐器音板用云杉属木材为研究对象,应用基于打击音的快速傅里叶变换分析的振动方法测定远东红皮云杉、长白鱼鳞云杉、西藏林芝云杉、美国西加云杉声学振动特性.采用综合坐标法与综合评分法对不同树种的长度L≤1 400 mm样本空间、L＞1 400 mm样本空间及不同树种分别组成样本空间进行综合振动性能分析,得出此次试验样本的综合振动性能优劣顺序基本为:西藏林芝云杉＞长白鱼鳞云杉＞远东红皮云杉＞美国西加云杉,而且这2种综合分析方法的结果具有显著相关性.结果表明:可应用本研究方法评价乐器音板用木材的综合振动性能.     

木竹材声学振动特性研究进展

木材声学振动特性科学机理与评价方法的研究正逐渐兴起,而针对竹材声学振动特性的相关研究则少有报道.文中重点围绕木竹材声学振动特性,从声振动效率、音色和发音效果稳定性3个方面介绍了木竹材声学振动特性的定量评价方法;从不同尺度(宏观—微观)、不同层次(化学组分—物理性质)和不同方式(选材—加工)系统阐述其主要影响因素;在此基...     

乐器用木材声学振动性能改良研究的进展

结合乐器用木材的宏观和微观构造、物理力学性能要求及评价指标,总结乐器用木材声学振动性能的影响因素及参数要求,归纳化学、物理、生物等处理方法在木材声学振动性能改良方面的应用研究及进展,分析各改良方法存在的问题,为木材声学振动特性功能改良的进一步研究提供思路。     

木材声振动特性的研究与进展

木材受机械振动作用表现出的特性,是木材声学性质研究的基础。通过对棒状、薄板木材模型的研究,了解乐器材振动特性,掌握乐器材料振动测试的关键参数,对乐器材选择十分重要。文章论述了国内外木材声振动特性研究的发展历史、研究现状与发展趋势,着重描述了国外同行在此研究领域作出的贡献,为今后国内乐器材振动特性研究提供借鉴。     

云杉材纹理角度对钢琴音板声学振动性能的影响

云杉材是制作钢琴音板的主要用材,以4种云杉属木材为研究对象,采用快速傅里叶变换分析法测试其共振频率,并计算其声学振动性能参数,分析木材纹理角度对云杉材声学振动性能具有的影响。结果表明:随着纹理角的增大,云杉材的动弹性模量、比动弹性模量增大,损耗角正切减小。当纹理角为90°时,云杉材的振动效率最高、声能损耗最少,声学性能最优。通过综合加权法评定,纹理角90°的麦吊云杉具有最优振动性能。     

西加云杉木材音板剪切模量的频率法测试分析

云杉类树种是完美的乐器共鸣资材,故以西加云杉径切板音板试材为研究对象,依据板的弯扭理论,用振动频率法实测试材在自由支承方式下的第1阶扭转频率值,测算得到剪切模量值;并用声学法进行了同步验证试验分析。结果表明,试材的测量值达到使用要求;频率法测量结果与声学法一致,具有快速、准确、重复性好等优点。该研究对我国开展钢琴等乐器音板用材的无损检测质量分等及其选材有一定的参考价值。     

层数与碳纤维方向对木质-碳纤维复合材料声学振动性能的影响

为探究木质-碳纤维复合材料声学振动性能的影响因素及其用作乐器用木材替代材料的可行性,从复合材料层数结构和碳纤维铺设方向两个角度出发,对木质-碳纤维复合材料试件的声学振动性能参数(比动弹性模量、E/G、声阻抗等)进行对比分析,并以常用作乐器音板材料的美国西加云杉作为参照。结果表明,碳纤维方向对复合材料的声学振动性能影响显著,当碳纤维铺设方向从0°到45°,90°时,其声学振动参数比动弹性模量和E/G值都出现不同程度的下降;层数结构对复合材料的音色品质影响较大,当层数从5层增加到7层后,音色品质明显下降。采用层数较少的5层结构(单板/碳纤维布/单板/碳纤维布/单板)和碳纤维方向为0°的铺层设计能获得综合表现较好的声学振动性能,其比动弹性模量为25.55 GPa·cm~3/g,比美国西加云杉比动弹性模量25.98GPa·cm~3/g仅低1.66%,而其E/G值(27.89)甚至比美国西加云杉E/G值(20.14)高38.48%,具有媲美美国西加云杉的音色表现。     

漆膜厚度对云杉属木材吸声性能的影响

音板是钢琴最重要的部件之一,是影响钢琴声学品质的关键因素,其制作材料吸声性能好坏很大程度上决定了钢琴音量大小和发音持久性。云杉属木材是制作钢琴音板的主要材料,本研究以4种云杉属径切板木材作为研究对象,采用驻波比法测试了4种木材的吸声系数以及在不同漆膜厚度情况下的吸声系数并进行比较,初步分析了漆膜厚度对云杉属木材吸声性能的影响。结果表明:在无漆膜状态下,麦吊云杉吸收的声能最少;而在有漆膜状态下,除了漆膜厚度是0.15 mm时,4种云杉属木材吸声系能不稳定之外,吸声系数是随着漆膜厚度的增加而增加,即漆膜厚度越小,钢琴音板的吸声性能越差。     

乐器共鸣面板用木材的特性与声学品质评价

<正>在我国传统的乐器制作选材中,木材扮演着极其重要的角色,多数传统乐器需要借助木质的共鸣面板来实现乐器的特性化发声,而不同的木材由于质地、密度等存在差异,使得在作用于乐器共鸣方面的影响不同,这会对乐器的发声质量产生关键性的影响,因此深入了解乐器共鸣面板用木材的特性及其对乐器发声的作用方式,有助于促进声学品质的评定及优良乐器的制作。《共鸣板用木材的振动特性与民族乐器的声学品质》（刘镇波、黄英来、杨扬著,     

基于LabVIEW的竹地板声学振动特性研究

基于LabVIEW软件采用共振法测试了竹地板的声学振动特性.结果表明:竹地板的声学振动参数与密度关系密切,动态杨氏模量E、声阻抗ω、声辐射品质常数R与密度ρ线性回归显著;炭化板材的动态杨氏模量、声阻抗均小于本色同种类板材,声辐射品质常数均大于本色同种类板材;综合认为炭化侧拼地板具有较优的声学振动品质.     

云杉属木材纵向和径向声振动特性参数关系的研究

采集7种我国具有代表性的云杉属木材及1种作对比用的美国产西加云杉试件,通过纵、横向木材试件在高次振动模式下的试验,测量木材各项声振动参数.研究发现:纵向材与径向材振动参数比之间存在着一定的相关性,据此可以选择各向异性适中,韧性好,纵向、径向振动受剪切影响小的木材制作乐器的音板.     

炭化处理对杨木声学振动特性的影响

为了探究炭化处理对木材板材声学振动性能的影响和规律,本文对45块白杨试件进行不同炭化温度(170、190、210℃)和不同保温时间(2、3、4 h)的炭化处理。采用了傅立叶变换频振动频谱分析仪(fast Fourier transform,FFT)测定炭化处理前后的杨木密度、比动弹性模量、声辐射品质常数、声阻抗及弹性模量与剪切模量比值的变化规律。结果表明:炭化处理工艺对不同的声学振动参数有不同的影响规律,当处理温度为210℃、保温时间为3 h时,可以较为显著的提高木材综合声学振动性能。     

弦乐器指板常用热带硬阔叶木材的声学振动性能分析

【目的】分析弦乐器指板常用热带硬阔叶木材的声学振动性能,归纳总结指板用木材的声学振动性能要求,为寻找可替代树种或对人工林木材进行功能改良以替代传统指板用木材提供科学依据。【方法】采用X-射线剖面密度测试仪表征木材一个生长轮内早晚材的密度差异及沿径向密度分布的均匀性;利用超声波微秒计测试木材声传播速度;运用模态分析法测试木材的共振频率和扭转频率,根据矩形截面Euler-Bernoulli方程计算木材声学振动参数。【结果】乌木绝干密度为1 180 kg·m~(-3),阔叶黄檀绝干密度为810 kg·m~(-3),东非黑黄檀绝干密度为1 320 kg·m~(-3);弦乐器共鸣板用硬槭木绝干密度为660 kg·m~(-3),非乐器用木材辐射松绝干密度为480 kg·m~(-3)。乐器用木材一个生长轮内早晚材及相邻生长轮之间密度差异较小,材质均匀。指板用木材轴向和径向声传播速度均低于硬槭木和辐射松。硬槭木顺纹与横纹的声传播速度比为3.2,声学各向异性较优。乌木、东非黑黄檀和阔叶黄檀的动态弹性模量(E')分别为18.2、16.8和14.8 GPa,指板用木材的E'均大于14.0 GPa。指板用木材的比动态弹性模量(E_(sp))均小于18.0 GPa,硬槭木和辐射松的E_(sp)分别为24.5和26.8 GPa,均高于指板用木材。乌木、阔叶黄檀和东非黑黄檀的声辐射品质常数(R)分别为3.21、5.08和2.58 m~3·Pa~(-1)s~(-3),硬槭木和辐射松的R分别为7.17和9.41 m~3·Pa~(-1)s~(-3)。指板用木材的声阻抗(ω)、对数衰减系数(λ)和损耗角正切值(tanδ)均高于硬槭木和辐射松。指板用木材的声学转化率(ACE)和E'/G'均低于硬槭木。乌木、阔叶黄檀、东非黑黄檀、硬槭木和辐射松的动态剪切模量(G')分别为1.97、1.72、2.58、1.21和1.09 GPa,指板用木材的G'均大于硬槭木和辐射松。【结论】指板用木材绝干密度均大于800 kg·m~(-3)。木材密度与其声学振动性能存在一定函数关系,选材时密度和声学振动性能需共同考虑。与共鸣板相比,指板选材对木材声学振动性能的要求远低于共鸣板。在声学振动性能方面,木材的E'和G'是指板选材的主要评估指标,要求尽量选择E'和G'大的木材,E'越大,指板抵抗不同弦张力所引起的弯曲变形能力越强; G'越大,指板抑制不同弦张力所引起的扭转变形能力越强。木材的E_(sp)、R、ACE、E'/G'、λ、tanδ、ω等声学振动参数可不作为指板选材的主要评估指标。     

云杉木材声振动性能与生长轮宽度、晚材率之间关系的研究

本文选择了8种主要云杉属树种，进行了弯曲振动条件下各项声振动特性参数的检测和比较，并分析了这些参数和木材构造中生长轮宽度、晚材率之间的关系，为深入评价云杉属乐器材品质，确立乐器材选材中合理应用木材生长轮宽度、晚材率参数的方法打下了基础。