古典克雷莫纳和现代小提琴木材密度比较 作者：贝伦德C.斯托尔 特里·m·伯奥曼 ba5rw 试译 我的前言：以下译文多数是用机器翻译，略加整理，错了莫怪我。需要原文请站内短信告知邮箱。快速浏览一遍这篇文章，好像没解决什么问题，但是有我感兴趣的音板厚度CT分析，还有很多木材方面的知识，相信能帮我们解开一些疑惑。 摘要 经典小提琴是由克雷莫纳的大师，如安东尼奥·斯特拉迪瓦里和瓜奈利创立的，已经成为几乎所有小提琴声音的丰富表现力和发声能力的基准。大家普遍认为，从那时起到现在，没有制琴师能复制这些古典乐器的音质。小提琴的振动和声辐射特性是由乐器的几何结构和木材性能决定的。新的探测研究方法允许关键材料特性即木材的密度、年轮等细节的无损检测。我们使用计算机断层扫描（CT）和专门开发的图像处理软件对五个经典小提琴和八个现代小提琴木材密度进行比较。没有发现现代和古董小提琴之间的平均密度有显著差异，但是在经典克雷莫纳和现代小提琴云杉面板和枫木背板的顶端的春材和晚材之间的密度存在较小的差异。(密度分别为p = 0.028和0.008)。古典和现代小提琴面板的平均密度差值是274(26.6)和(11.7)183克/升，背板是128(2.6)和(2.0)115克/升。这些密度差值的不同可能反映了类似的刚度分布的变化，这可能直接影响振动效果或间接改变声辐射阻尼特性。这两种作用机制可能有助于解释古典与现代小提琴声学之间的差异。 引言 300年前，安东尼奥·斯特拉迪瓦里(1634 - 1737)和瓜奈利(1698 - 1744)擅长制造小提琴细腻的声音，似乎更好地表达了作曲家和音乐家的意图。这些古典克雷姆小提琴已经成为所有小提琴比较的基准。目前，许多人认为克雷姆琴师时代的小提琴工艺至今无人超越，古典乐器的乐感表达能力和声学辐射能力是现今制造的乐器无以伦比的。目前还不清楚是什么原因让他们这么长时间的经受不断变化的音乐考验，而仍然最受欢迎。 制作研究高水平的音质涉及更多的变数，如拱形设计和轮廓[1],[2]，音板清漆层厚度的影响[3],[4]，以及各种配件，如颈部的角度、指板和琴弦越过琴马的角度等带来的影响。探究木材完美特性的更多工作已经完成，虽然不能完全了解克雷姆木材的性能，但是在这项研究中发现大多数测试样本的平均密度已明显高于那些现代琴的样本。 树木每年的生长周期中产生管胞群，会产生明显的明暗相间木纹。早材生长于春天，主要负责传输水份因此多孔，其密度比晚材低，晚材有更多的支撑结构和更密集的管胞群。木材是一种直生的材料，有三个方向上不同的的机械性能：顺纹、横纹和木射线（圆心辐射纹）。早材与晚材木料密度的不同可能会影响振动性能，这些变化直接影响材料的刚度和阻尼特性。小提琴复杂的三维结构意味着音频振动涉及木板三个方向上的弯曲、切力和拉伸的情形。尽管缺乏优秀乐器的详细资料，研究者还是基于这些不同参数选择木材。很难检测乐器某个部件的木材密度，一般密度的测量是把乐器用防水材料包裹浸入水中估算其体积，再称出其重量，然后把体积除以重量得到密度值。另外，这样的测试方法无法得到具体各部件的密度差异。CT视觉分析已经在其他领域获得应用，但是还没有被用来做密度量化或密度差异的分析应用。 这里，我们将应用常见医用量化CT设备，快速无损分析五把古典克雷蒙小提琴的木材密度，其中三把瓜琴和两把斯大琴。我们再把这些古典小提琴测试结果和八把现代小提琴进行比对，期望通过研究材质的差异能找出古典琴和现代琴的音质性能不同的客观原因。现代小提琴分别是T.伯奥特、A.T.金和G.拉巴特制作。本文将概述我们探究方法的细节。 树木每年的生长周期中产生管胞群，会产生明显的明暗相间木纹。早材生长于春天，主要负责传输水份因此多孔，其密度比晚材低，晚材有更多的支撑结构和更密集的管胞群。木材是一种直生的材料，有三个方向上不同的的机械性能：顺纹、横纹和木射线（圆心辐射纹）。早材与晚材木料密度的不同可能会影响振动性能，这些变化直接影响材料的刚度和阻尼特性。小提琴复杂的三维结构意味着音频振动涉及木板三个方向上的弯曲、切力和拉伸的情形。尽管缺乏优秀乐器的详细资料，研究者还是基于这些不同参数选择木材。很难检测乐器某个部件的木材密度，一般密度的测量是把乐器用防水材料包裹浸入水中估算其体积，再称出其重量，然后把体积除以重量得到密度值。另外，这样的测试方法无法得到具体各部件的密度差异。CT视觉分析已经在其他领域获得应用，但是还没有被用来做密度量化或密度差异的分析应用。 这里，我们将应用常见医用量化CT设备，快速无损分析五把古典克雷蒙小提琴的木材密度，其中三把瓜琴和两把斯大琴。我们再把这些古典小提琴测试结果和八把现代小提琴进行比对，期望通过研究材质的差异能找出古典琴和现代琴的音质性能不同的客观原因。现代小提琴分别是T.伯奥特、A.T.金和G.拉巴特制作。本文将概述我们探究方法的细节。 结果与讨论 我们在美国纽约西奈山医院进行小提琴的扫描。使用一台多层面CT扫描仪（型号Sensation Cardiac 64，德国西门子）。这些扫描为每一个小提琴产生一组三维数据图，分辨率大约为1200×512×512像素点。 我们开发专用的计算机程序，自动绘制面板和背板平面图。从这些平面图的信息中可估算板材的厚度、木材的平均密度和相互之间的密度差等，我们将在下面继续讨论。此外，还有琴箱容积的计算等（表一）。 板材厚度 在上下面板之间我们描绘出0到
关于图片的说明：图一A和B图上面一行是现代琴，底下一行是古琴。小提琴全部匿名。颜色标尺的单位是毫米。上面一行第四个是一把中提琴，可以看出来其面板和背板都比一般小提琴厚。 平均密度 计算机程序能逐层明确区分小提琴音板，精确了解板材两面之间的情况。从这些逐层信息中,创建了一个密度图,估算音板各个位置的物理密度。 图二A和B分别显示面板和背板详细的密度分布图。面板和背板的密度显著的不同，因为面板是用云杉（挪威云杉或欧洲云杉）制作的，而背板是用枫木（挪威枫木或欧洲枫木）制作的。面板被维修过的痕迹非常明显，因为那个地方的密度显著增加了。皮胶或骨胶专门用在小提琴的维修中，它的密度高于木材，并侵透到附近没有损坏的木材中，从而增加局部密度的读数。从这个密度分布图中我们可以估算出五个感兴趣目标区域（ROI）的平均密度，左右两边上下区域和中心区域（见图三），刻意避开被维修过的区域。平均密度在现代和古典小提琴之间比较没有发现显著的差异。
图三定义了五个测试区域（ROI），小心避开了存在维修的区域。这些区域面板和背板的位置是一样的。 除了遗传因素，木材的整体密度显然是受树木生长地点的小气候影响的。树木生长在凉爽而缺少直射阳光、水份和土壤养分的地方，将成长缓慢而具有较高的整体密度。另一方面，同样基因的树种如果在一个气候适宜相对平坦的地方，水份、养分和日照充足，并且没有遭受外来侵害导致形成茂密的森林，则生长较快，并具有较低的整体密度。大家历来认为前者是产生高音质木料的条件，但是我们的研究表明后者更接近这次探究活动所发现的密度。正如我们没有发现古典琴和现代琴木料平均密度有什么显著差异，这些大规模的因素在两者音质的差异之间也没有太大的关系。 小提琴把音乐家的能量转换成空气扰动的声音。在低频段，800赫兹以下的绝大多数声波是由小提琴整体演奏产生的。高于这个音域，则是由乐器特定区域发生振动产生的声音。目前，我们所了解的情况是，这些特定区域大多数位于面板上。基于这个原因，我们的讨论将集中在云杉木料上。 即使同一把琴，其木料密度也是会不断变化的。这是因为木材是一种容易吸湿的材料，相对湿度的变化（气温影响水蒸气的含量）会改变密度测量值。关于这一点，唉~也没关系，因为习琴也不会跑到湿度急剧变化的环境中，况且现代音乐场景应该都是在有空调的环境里。 由于现代琴和古琴的木料密度几乎没有差别，现代琴在木料实际选择方面如同在1700年代。 为了确定每一把小提琴音板早材和晚材年轮数量，我们计算了ROI（图三，采样区）的直方图。木料密度会有 如图四，使用双尾秩和检验比对方法针对平均密度标绘出平均所有ROI采样区的密度差值。古典琴的密度差值远远低于现代琴，无论是面板还是背板（分别为p= 0.028 and 0.008），意味着在古琴中早材和晚材是紧密连接在一起的。现代琴和古琴面板的密度差值平均值分别是274 (26.6) and 183 (11.7) 克/升，背板是128 (2.6) and 115 (2.0) 克/升。图四可看到新老面板和背板分处两个地方的四个描绘点集群。 由于古琴被维修过，有必要慎重选择采样区域（ROI），以反映未经维修过的木材密度的真实情况。为了如实比照现代琴的木材的密度，需要确认乐器的木材是来源于欧洲原产地的天然材料，也就是木材性能未经人工处理的。当我们注意到现代琴中有存在面板和背板密度差值非常小的样品，我们联系了制琴师，他查阅了记录发现，这些木块是从一个供应商那儿提供的，他们在出售之前会不定期的对这些木材进行一些处理。进一步询问供应商的时候，他们无法确认这些木材是否经过处理。如果从分析研究中拿掉这些木材背景来历不明的琴样，那么新老琴面板之间密度差值的区别就更加引人注目。在我们的云杉音板样品库中，我们发现类似的情况，新的木材平均密度在同一个水平范围，而密度差值比克雷姆古琴要高的多。 云杉在同一棵树垂直躯干上，其密度会有所不同，大概会有超过5~8%的差异。相同密度的样本树干大概在 历来的记录表明，年轮的宽度也是影响树木密度的一个因素，当然其中影响品质的关系并不是一致的。挪威云杉（代表欧洲云杉，译者注。）年轮宽度和平均密度呈负相干关系，因此是非线性的关系，当年轮距离越来越宽，接近2到 结论 在这项研究中发现的密度差值，有助于制作与再现古典克雷姆琴公认的卓越的音质。在小提琴传统制造业中流传着许多克雷姆制琴师傅的秘诀，但是通常支持的文献很少或压根就没有过。偶尔会有诸如木材泡水处理的参考文献，据此把木材沉浸在溪水中（方便运输或者特意借此改造木材的性能）以期再现克雷姆古琴的声音。有记载表明，泡水木材的性能的确得到显著的改变，因为特定的细菌或真菌介入，导致构成木材的元素被分解。尽管目前没有密度改变的确切数据可用，但是这种降解导致木质密度降低的假设还是合理的，而如何影响密度差值还取决于特定的处理手段。克雷姆古琴的木材已经探明可能没有泡水处理过，但是这并不排除利用细菌或真菌的物理攻击方法改变木材性能以便和克雷姆木材相匹配。如前所述，现代琴中分别有一块面板和背板怀疑被处理过，如果确实这样，那个供应商就很可能使用了泡水处理的方法。另一种方法，据说是“蒸煮”木材，依靠不同的蒸煮手段改变密度，尽管缺乏已发表资料介绍具体处理木材的过程。布库尔解释过存放时间会让木材损失半纤维素从而首先降低木质密度改变其性能，这也能佐证我们的结果。这些年来，制琴师早已使用硝酸或氨水蒸熏处理，唯一的解释就是这些奸商使用有害的破坏手段试图降低木材的密度和改善年轮纹理之间的差异，这个迟早会出现不良后果的。随着时间的推移还会出现其他的可能性，但是我们都知道这是唯一与密度相关的后果。 总之，我们的研究结果清楚的表明克雷姆时代和现代制琴师使用的木材性能存在差异。虽然我们没有进一步推测其原因，但是这些研究结果可能会促进这些古乐器音质的复制工作。 译者后记 这个论坛不能编辑自己的帖子，前面由于机器翻译和我个人英文功底极差，水平极为有限，所以存在一些错误和误解没能及时纠正，但是不会影响整体的意思传达。 论文的结论的后面是一些关于材料与方法的介绍，主要是CT扫描和图表分析的过程之类的，比较枯燥无用，我们相信论文作者就行了。最后是鸣谢等等。我想大家不会关心这些具体的技术分析简介，所以就没有必要翻译了。 希望我的劳动对大家有用，特别是这篇论文中关于木材的密度知识和处理知识部分，我个人是获益匪浅，因此不敢独享，独乐乐不如众乐乐，大家喜欢和认可就是我个人最大的满足。本想也发表到提琴社区那边，但是考虑到那边专家比较多，他们对原文的理解比我深刻直观的多了，而且那个论坛三天两头维护，又有神秘社团，也就打消了念头。 还有希望论坛能有一定的编辑权限，以便调整一些文字什么的。 全文就到此为止。 |
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