碳纖維尤克里里共鳴箱體結構及音響特性研究

摘要：碳纖維作為新型材料，因其高強度、高剛度、輕質量、耐腐蝕、耐久性等特性，應用于樂器制造領域具有較好優勢。本文以碳纖維尤克里里為例，對其結構和發聲原理進行解構，并通過HEAD Artemis對其進行聲學品質測量，實驗發現碳纖維尤克里里在響度、靈敏度、質量等方面都有出色表現，但是在持久性、情感性、圓潤度等方面較木質尤克里里仍有差距。

關鍵詞：碳纖維" 尤克里里" 聲學測量

碳纖維作為一種新型材料，因其具有高強度、高剛度、輕質量、耐腐蝕、耐久性等特性，被廣泛應用于航空航天、機械設備、建筑、交通、醫療等領域。在樂器制作和音響研究領域，性能良好的材料直接影響著樂器的聲學性能和聲音品質，以碳纖維尤克里里為例，通過對其進行聲音測量和分析可以判斷出碳纖維在樂器音響及性能方面的表現及特質。

一、碳纖維的物理特質及其聲學性能表現

高強度、高剛度、輕質量、耐腐蝕、耐久性是碳纖維的顯著特性。碳纖維拉伸強度比鋼高幾倍，堅硬度甚至高于鋁和鈦，自身密度較低，質量小，對酸堿鹽等化學物質具有較好耐腐蝕性，出色的疲勞耐久性，使其長期使用而不易變形。在聲學性能方面，因碳纖維均勻的結構，使其能夠產生非常清晰、明亮的音色。在使用過程中，通過改變其制作過程中的參數（如纖維的排列方式、使用的樹脂類型等）對其密度和彈性模量進行調整，從而可以根據需要定制樂器的聲學性能。

正是基于碳纖維的種種物理特質，使得以碳纖維為制作材料的樂器在各種環境條件下都能保持穩定的音質和音準，可以滿足不同演奏環境的樂器音響需求，較傳統的木質樂器有著更加顯著的優勢。但是碳纖維樂器也存在一些不足，如情感表達、持續時間等方面，還需要進一步優化。

二、碳纖維尤克里里的結構與音色解析

（一）碳纖維尤克里里的結構

本文選取了ENYA品牌NOVA U系列23寸碳纖維材質的尤克里里樂器為研究對象。琴身、指板、琴橋、上下弦枕均使用聲學碳纖維一體壓鑄，琴弦為恩雅日產E6，啞光油漆工藝。特別需要提出的是，碳纖維尤克里里和木質尤克里里結構基本一致，唯獨前者將主要的音孔移動至左側板上方，讓整個面板有了更大震動面積，從而帶來更強的箱體氣壓，獲得更好的共鳴效果，而所有的木質尤克里里都沒有側板音孔。

（二）碳纖維尤克里里的發聲原理

尤克里里屬于有指板的手撥類弦鳴樂器。根據聲學結構分為共鳴系統、傳導系統、弦振系統、調控系統和激勵系統。當琴弦被手指（激勵系統）激勵時，琴弦（弦振系統）會被帶離平衡位置，然后將弦放回，此時弦的張力和反彈力使弦以很快的速度向平衡位置反跳回來并越過其平衡位置，這樣琴弦會因為慣性出現往返運動從而產生振動，琴弦產生的振動通過琴橋（傳導系統）傳遞到琴身（共鳴系統），隨后帶動整個琴身共振，加強琴弦振動的聲能擴散。碳纖維因具有較高的強度和剛度，吸音性較低，用于制作共鳴箱能夠一定程度上改變樂器的共鳴特性和音色。

三、基于HEAD對碳纖維尤克里里與木質尤克里里進行聲學測量

（一）總體實驗設計。選取同一品牌同一尺寸相同售價且形制相近的兩把碳纖維尤克里里和木質尤克里里，并都使用ENYA品牌的日產E6琴弦。為保證撥琴弦的作用力相同，本研究由同一演奏者進行演奏。為保證演奏每次聲壓誤差不超過1dB（在音樂演奏實驗中，通常會進行多次重復實驗，以獲得更可靠的結果。由于實驗條件和參與者的變化，實際上很難完全消除所有因素導致的聲壓級誤差。因此，將聲壓級誤差控制在1dB以內可以認為是一種實際可行的范圍，可以保持實驗結果的穩定性和可比性），在實驗設計上把聲音量級測量放在第一順序，測量結果也顯示每次演奏聲壓誤差沒有超過1dB，保證了后面測量實驗的科學性。

（二）實驗方法。實驗于封閉混響聲場中進行，采用十點測量法，即半球型傳聲器陣列，選取10個測量點等距離分布在半徑為1米的半球形區域內，每個測量點設立一個聲音采集通道，記錄激發分貝大于30分貝的彈奏音。麥克風參數分別為：1號通道為45.31mv/pa，2號通道46.77mv/pa，3號通道50.11mv/pa，4號通道47.31mv/pa，5號通道54.32mv/pa，6號通道44.66mv/pa，7號通道47.31mv/pa，8號通道47.86mv/pa，9號通道54.95mv/pa，10號通道52.48mv/pa。每個通道距離聲源距離均為1m，10號通道位于尤克里里聲源上方（見圖1）。

（三）實驗測量

將軟件中分析池中頻率計權設置為適用聲音分析的A計權，導出量級vs時間的圖表，對比木質尤克里里與碳纖維尤克里里強弱彈奏4弦G4音的四個圖像里十個通道的情況，闡釋了兩種材質的強弱兩種彈奏方式的G4音的十個通道隨著時間的變化情況，其中碳纖維尤克里里在1.12s時的強力度激勵下，聲音的量級于1.18s到達峰值，2號通道數值為最高，80.3dB，1號通道次之為80.2dB。碳纖維尤克里里1s時弱力度激勵下1.13秒量級到達峰值，2號通道最高為60.5dB，1號通道為60.1dB。木質尤克里里在0.98秒弱力度激勵下1.09秒到達峰值，1號通道為最高，47.8dB，2號通道為47.1dB。木質尤克里里在1.07秒在強力度的激勵下1.14秒到達峰值，1號通道量級為75.4dB，3號通道次之為73.4dB。這樣可知碳纖維尤克里里中2號通道的指向性和聲音采集情況最佳，1號通道次之。而木質尤克里里中1號通道的指向性和采集情況最佳。1號通道位于演奏者右前方，2號通道位于演奏者左前方，這表明了樂器的指向性與樂器的共鳴系統的朝向有關。為了實驗的定量對比結果的準確性，同樣考慮到1號通道的價值和收集數據的對比性上，所以在接下里的分析中采用1號通道作為標準通道進行數據的分析。

（1）聲音量級測量

從圖2可以看到聲音的相對響度和衰減的變化，其中G4圖像碳纖維尤克里里在0.9秒時被激勵三次，分別于1.3、1.2、1.1秒到達峰值，數值分別為80dB、78dB和79dB；木質尤克里里在0.9秒被激勵三次，分別于1.2、1.1、1.1秒到達峰值，數值分別為75dB、76dB、76dB。E4圖像中碳纖維尤克里里在0.9秒被激勵三次，分別于1.1、1.2、1.2秒到達峰值，數值均為78dB，木質尤克里里在0.9秒被激勵三次，分別于1.2、1.1、1.2秒到達峰值，數值為75dB、75.3dB和75dB。從橫坐標時間上碳纖維尤克里里的聲音持續時間分別為G音0.9-6s，共5.1s，E音0.9-6s，共5.1s。木質尤克里里的持續時間為G音0.9-5s，共4.1s，E音0.9-6.4s，共5.5s。由于木質尤克里里的E音在2.3秒至6.4秒時會出現不諧和波動，所以也說明碳纖維尤克里里在聲音的持續時間上要略優于木質尤克里里。從縱坐標上量級的數值可以分析出在相同力度下碳纖維尤克里里的聲壓級會略高于木質尤克里里。其中E音圖像中在木質尤克里里的圖像在2.3-6.4s階段波浪式的變化也表明了碳纖維尤克里里的穩定性更好一些。由于三次彈奏的曲線都極其接近，后續的聲學分析將采用第一次彈奏的聲音分析為主。

（2）頻譜測量

通過頻譜測量可以觀察出聲音在一段時間內頻域上的頻譜特征。測量選取強力度彈奏中的A4和G4進行代表性分析。在圖3中A4的對比中看到木質尤克里里在1-3.6秒時頻率強度由激勵至峰值再至消逝，包含著160hz至19khz的頻率成分，而碳纖維尤克里里則是1-4.5s的時長包含著160hz-15khz的頻率成分。在G4的對比中可以看到木質尤克里里在1.1-3.7s的時長包含著120hz至19khz的頻率成分，碳纖維尤克里里則是1.2-5.3s包含著130hz-15khz的頻率成分。從橫坐標時間上對比，木質尤克里里的A、G兩音時長均為2.6s，碳纖維尤克里里兩音時長為3.5s和4.1s，這樣可以看到碳纖維尤克里里的持續時間要略長，再次印證了聲音量級測量的結論。從縱坐標上也可以看出木質尤克里里的頻率成分對比碳纖維尤克里里更為豐富，而從圖像上看碳纖維尤克里里的頻率能量的分布相比更為均勻。

（3）FFT測量

筆者選取強力度彈奏中的E4和G4進行代表性分析，綠色曲線代表著木質尤克里里頻譜特性，紅色代表著碳纖維尤克里里頻譜特性，兩者在基音聲壓級相近的情況下，E、G兩音在200-1000hz時碳纖維尤克里里的聲壓級要略強于木質尤克里里，但在1000-20khz時木質尤克里里響度要強于碳纖維尤克里里，說明了在低頻帶中碳纖維尤克里里的響度強于木質尤克里里，而在中高頻帶中木質尤克里里的響度要強于碳纖維尤克里里。對比圖4中發現木質尤克里里的諧波要比碳纖維尤克里里更多，但碳纖維尤克里里的諧波分布和振幅衰減的變化相比要更加均勻。

（4）特征響度測量

如圖5可以看出，弱力度演奏C和A的木質尤克里里和碳纖維尤克里里的響度對比，在C圖像和A圖像中0-24bark范圍內碳纖維尤克里里的心理聲學響度均高于木質尤克里里，這樣就可以得出在相同彈奏力度下碳纖維尤克里里感知響度都普遍高于木質尤克里里。

綜上，可以知道木制尤克里里音色更加豐富，能提供豐富且溫暖的音響，在手感、音準和靈敏度方面都具有良好的演奏性能表現，但木質材料的不穩定性對于木質尤克里里的耐久性有著極大的挑戰。碳纖維尤克里里具有較輕的自重，良好的強度和剛度，以及出色的耐久性和抗變形特性，音色上也更加明亮、清晰，聲音的持續性和響度都優于木質尤克里里，但情感性表達和個性化音色需求方面還有待進一步優化。新的材質提供新的可能，如果能夠優化碳纖維材料和制作工藝，從而實現模擬木質樂器聲學特性的訴求也許是未來新的探索和機遇。

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