[原创]小提琴通俗原理探究实验报告 - 中国小提琴网 - Chinaviolin.NET

当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为应变。材料发生形变时其内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力称为应力。

材料受外力之后，会发生变形，撤去外力恢复原状的能力称为材料的弹性。
弹性变形：虽然变形，但是除去应力后恢复原状。

木材都是刚性较弱的材料，但是不同木材品种、不同的裁切方向和拼接方式形成的结构刚性有较大差异。

木材纹理通直，结构均匀，不翘不裂，木材容重0.39，每厘米年轮数平均3.0，晚材率22.0%，干缩系数(体积)0.386，顺纹抗压极限强度358千克/平方厘米,静曲极限强度661千克/平方厘米,端面强度285千克/平方厘米。材质轻韧，强度适中,质量系数高。具香味,材中含有“杉脑”，能抗虫耐腐，加工容易。

硬枫的白木质呈奶白色，带棕红色调，心材为浅棕红色至深棕红色。白木质和心材两者均可能含有木髓斑点。这种木材具有密集精细的纹理，通常为直木纹，但亦会出现弯曲状、弓背状和鸟眼形木纹；软枫木其木材颜色随不同产地而出现较大变化。软枫木的白木质呈灰白色，有时带有较深颜色的木髓斑点。其心材颜色自浅棕红色至深棕红色。这种木材通常为直木纹。物理特性：硬枫木质坚硬，沉重，具有良好的强度性能，具有特别高的抗磨擦及抗磨损强度，亦具有良好的抗蒸汽弯曲性能。软枫的硬度比硬枫少大约25%，具有中等抗弯曲及断裂强度，刚性及抗震强度低，具有良好的抗蒸汽弯曲性能。
（待续）

振动系统在周期性的外力作用下，其所发生的振动称为受迫振动，这个周期性的外力称为驱动力。

当周期性驱动力的频率和物体的固有频率相等时振幅达到最大，称为共振。

又称衰减振动。击发振动的物体由于外界的摩擦和介质阻力总是存在，在振动过程中要不断克服外界阻力做功，消耗能量，振幅就会逐渐减小，经过一段时间，振动就会完全停下来。这种振幅越来越小的振动叫做阻尼振动。

物体作受迫振动的振幅保持不变，它的大小不仅和驱动力的大小有关，还与驱动力的频率以及作振动的物体自身的固有频率有关。作受迫振动的物体一边克服阻力做功，输出能量，一边从驱动力的做功中输入能量。当从驱动力输入系统的能量等于物体克服阻力做功输出的能量时，系统的能量达到动态平衡，总量保持不变，振幅保持不变，做等幅振动。

能量是物质运动的普遍度量。运动的形式就是能量的形式，例如机械运动形式的能量称为机械能，空气振动虽然也是机械能的一种形式，但是人耳可以识别，因此就从机械能的各种形式中分离出来称为声能。除此之外，还有化学能、热能、光能、电能、磁能、核能等等能量形式。

声音是由物体的振动产生的。一切发声的物体都在振动，把正在发声的物体叫声源。

振动体每秒振动的次数称为频率，用符号f表示，频率的单位是赫兹（Hz）。

声波在传声介质中，每秒钟传播的距离称为声波的传播速度，简称声速，用符号c表示，单位是米/秒（m/s），其数值与温度材料有关，空气中工程计算一般取常温条件下的数值为344m/s。

物体或空气分子每完成一次往复运动或疏密相间的运动所经过的距离称为波长，用符号λ表示，单位是米。

波长=声速/频率。例如，1赫兹的波长为344米，人耳比较敏感的1000赫兹声音的波长为0.344米，即344毫米，接近小提琴琴箱的长度。

声波压缩和拉伸空气会产生一定的压力称为声压，但是声压作为声学度量和内部方便也不切合实际，一般采用声压计来度量声音的大小，亦即声压与参考声压的比值。单位是分贝，符号为dB。

因为对声音的测量最终是为人耳服务，所以在计量上模拟人耳对声音的响应，制订了国际标准A计权声压级仪器，有时候称为噪声计，单位为dBA。本次实验我将使用到这个仪器。

（2）等响度曲线针对正常人耳对声音强度的反应曲线，在声压级的值低时变化快，斜率大，而在高声压级时就比较平坦，这种情况在低频时尤为明显。

个人感觉由于人耳对响度、音调和音色等一些听觉感受缺乏严谨的科学标准，应该属于心理学范畴。

这与人类的生存环境和进化过程有很大的关系，与声音的实际物理数值相差甚远，但是对声音强度的测试最终是为人类的耳朵服务，所以科学家根据人类耳朵对不同频率声波的反应特点描绘了等响度曲线，参见声学知识点关键词9。

音调与声音的频率、持续时间、声压级及温度有关。决定音调感觉的主要还是声波的频率，根据音调的权威定义还可以知道人类的耳朵对音调的判断实际上很不精确，即使是音乐家也很少能够不借助较音标准，例如钢琴A440，来为自己的乐器定调而能够没有误差的。

音色明显的属于听觉心理感受，现代科学已经确认主要决定于声波的频谱结构。

每一把小提琴的音色并不是像许多人以为的那样是一成不变的，实际上随着人耳所处的方位、距离和环境和拉琴者的技巧等不确定因素，都将产生巨大的变数。位于小提琴f孔上方近处的人将听到更多的高次谐音，距离较远的人或不在高音辐射区的人将听到更柔和的音色。

一般来说，谐音多，且低次偶数次谐音的强度较大、奇数次谐波较弱的音乐和歌声就优美动听，音色就丰富。但是这绝对属于心理学的问题，还会因为生活环境、流派和文化背景不同产生截然不同的音乐审美观点。

不了解听琴方位对音色判断的影响，不注重声学原理和声学心理学知识，会使制琴师失去推销自己好琴的机会，也会使买琴者花了不该花的冤枉钱，更会令比赛失去公允。

一个声音的听阈[yù]因另一声音的存在而提高的现象，称为掩蔽效应。

人耳刚好能感觉到其存在的声音的声压称为听阈（读[yù]），听阈对于不同频率的声波是不相同的。人耳对1000Hz的声音感觉最灵敏。

小提琴制作者上传的录音使用了伴奏或快速音符跳跃和小提琴爱好者使用伴奏音乐上传自己的独奏作品，实际上都是不自觉的使用了掩蔽效应原理，以掩盖实际上存在的问题。哈哈！

借助双耳人们能够对声音的位置进行定位，这就是双耳效应。立体声技术就是利用了人类的双耳效应。

低频信号的定向是以双耳的时间差为依据，高频信号的定向，决定于两耳间的声级差

实验方法和条件，手拿尖角自然下垂，板面中部对准测试电容麦克风，因为是针对小提琴固使用音名对应频谱分析，这样更通俗易懂。

04出现2个谐振点#A5，F7 两个明显共振点幅度相差98%，横卧敲击，F7无法察觉。

05出现2个谐振点#A5，#G6两个明显共振点幅度相差90%，横卧敲击，#G6无法察觉。

通俗结论：板材密度和尺寸接近，树种不同共振点相差不大。

04与05板材密度差别较大，但是第一共振点基本相同，05较轻，第二共振点较平缓。

两个600毫升（500毫升+送100毫升）空可乐瓶，一个原样，编号01；一个剪掉瓶颈编号02。瓶口对准测试麦克风。

本次实验对认知小提琴受迫振动元件固有频率对声能转换的影响力意义极为重大。

主要实验工具：音频信号发生器、功放、扬声器和示波器。扬声器为临时搭建小平方音障板，尺寸满足小提琴180赫兹到谐波6千赫的声音测试即可，垂直架空放置，四周距离墙面均大于两米以上，非音箱结构，噪音计用三脚架假设在位于扬声器正前方10厘米处。

因为通俗认知的需要，这里不做太详细的实验过程介绍，只出结论：使用的扬声器固有共振频率在B4与C5之间，信号强度微弱的时候，这个附近的发声强度高于其他频率，但是当声压级超过大约45dbA时候频率G3到G6之间的声压级数值接近等响曲线的规律，与固有共振频率无关。受迫振动的扬声器纸盆的振幅，在输入功率达到一定的数值的时候，也就是音圈驱动力达到一定强度的时候，扬声器的固有共振频率对声能转换的影响已经失去作用。

据此实验可以推断。小提琴受迫振动元件，例如琴马、面板、背板、侧板等，这些元件在强大的琴弦策动力驱动下其本身具有的共振频率对声能转换的贡献已经微不足道，可能只在弱音符演奏起作用。

我用橡胶锤测试小提琴的共振频谱发现#D5与E5之间有一个凹陷，也就是共振最弱的地方，但是拉奏这个音符产生的声音强度在噪声计上与其他音符并没有太大的差别，其他不处于谐振强度较低的音符情况也一样，由此可以推断，小提琴面板和背板的谐振频率对音量并无实质性的影响。

查阅了受迫振动的物理知识获知：受迫振动物体的振动频率与物体的共有振动频率无关。

再次强调上面重要的推断，当受迫振动的振幅达到受力平衡状态的时候，其幅度和物体本身的共振频率也无太大关系。换句话说：琴弦施加的能量较小，未达到面板变形的极限位移的时候，共振频率附近的振幅最大。但是施加能量超过一定数值，已经无限接近面板振动变形的极限，不管哪个音符的频率都和共振频率的振幅相当，此时与面板的共振无关。

希望有朋友提出不同的结论和实验，谢谢！