新型材料對樂器聲學性能的影響

引言

木材、金屬、動物材料在樂器制作中使用廣泛，但都有各自局限性。木材資源稀缺、受溫濕度影響大且加工工序復雜；金屬重量大、易腐蝕且處理工藝繁瑣；動物材料聲學性能不穩定、取材難，同時還受法律與環保約束。這些因素制約了樂器的生產普及，所以，尋找性能更優越、更穩定的新型材料來替代或增強傳統材料，是樂器制造領域等待解決的問題。

研究現狀

隨著科技進步與環保理念深入人心，新型材料為樂器制造帶來新活力。國外在復合材料和碳纖維等新型材料的研究方面進展顯著，MarcosZambrano在《通過有限元法和有效質量的模態研究對木質小提琴和碳纖維增強材料小提琴聲學性能的比較》中指出，碳纖維提琴輕量化且高強度，耐用性佳，未減薄厚度的碳纖維提琴與優質木制小提琴相比，雖平均發聲更響但演奏效率低、低頻共振差、音色和諧波性能欠佳，不過通過調整厚度可改善，適合進階學生，而專業的演奏家仍多選用優質木制小提琴。Antonio Bacciaglia在《樂器用3D打印吹嘴的評估》中探討了3D打印樂器吹嘴若設計精準、選材合適，音質與舒適度可接近傳統吹嘴，且在個性化和經濟方面具有優勢，光固化成型技術打印的吹嘴表現出色，其形狀對音質影響大，為樂器制造帶來創新潛力。

國內學者也積極投入樂器材料創新研究。徐敏在《樂器用一種新型復合材料制備及聲音傳播性能研究》中發現，以聚乳酸樹脂和亞麻纖維為原料的復合材料在樂器制造中具有潛力，經過試驗后發現，聲音在 20% 亞麻復合材料中的傳播速度與50年桃花心木材料相近，這意味著亞麻復合材料有望成為制作多種樂器的合適材料。楊繼鵬在《樂器用玻璃纖維/樺木單板復合材料的制備及性能》中以樺木單板為基體、玻璃纖維為增強材料制備的復合材料，其玻璃纖維布鋪放位置與層數會影響聲學性能，鋪于表層單板下且兩層時效果最佳，該材料有替代傳統木材用于樂器加工制備的可行性。付曉東和李昊辰在《二胡人工皮膜研究現狀的調查與思考》中對二胡人工皮進行研究，二胡人工皮由合成纖維織物與其他材料復合而成，雖有進展，但在聲學性能提升和材料工藝優化等方面仍面臨挑戰，需進一步研究改進。顧君怡在《碳纖維在西洋管樂器中的應用》中指出在銅管樂器（如小號、長號）和木管樂器（如薩克斯管）中采用“局部碳纖維”模式，具有能增強對聲音的控制、降低演奏氣力、穩定音色、提高演奏舒適度、減少能量損耗、延長樂器使用壽命等優點。李樹錚在《基于3D打印建模技術的漢代樂器復原可行性研究》中使用3D打印復刻出來的“筑”的復制品還原了樂器的細節，但因材質問題樂器音色有“塑料感”，與原品有著巨大差異。童寅豪在《運用3D打印技術對樂器磬的復原研究》中運用3D打印技術對江蘇盱眙大云山1號漢墓出土的仿玉玻璃編磬進行復原研究，發現建模磬相較于樣本磬存在偏差，偏差多在人力加工環節產生。

這些國內外的研究展示了新型材料創新在樂器上的多元化探索，為未來發展提供了豐富的研究資料和經驗，但也反映出了在追求材料創新過程中仍面臨一些問題。本文將深入研究新型材料對樂器聲學性能的影響。通過新型材料在實際應用中的案例分析，旨在為樂器制造提供引導，推動樂器制造工藝創新的可能性。

二、新型材料的分析與應用

（一）纖維復合增強材料在樂器上的創新

纖維復合增強材料（Fiber-reinforced composites）的出現為樂器的創新與發展提供了新的可能。在樂器制造中，不同的增強材料與樹脂等基體材料結合后的特性也各不相同，比如常用的碳纖維、玻璃纖維或大麻纖維等都分別對樂器的聲學性能和品質有顯著影響。

此類材料具有眾多傳統材料沒有的特性。因其密度通常處于 1.2～2.0g/cm³ 的范圍，傳統金屬的密度大概在7.4～8.9g/cm³ 之間，導致這一特性便于樂器的攜帶與操作。碳纖維、玻璃纖維等纖維復合增強材料的強度極高，比木材能承受更大的外力作用，不易發生形變，有效保障了樂器在使用過程中的穩定性。

以碳纖維為例，其拉伸強度普遍在3500MPa（兆帕），部分高性能產品甚至可達 6000MPa ，是鋼的4～8倍；彈性模量在 230GPa ，是鋼的 1.8～2.6 倍；其良好的耐腐蝕性，可抵御潮濕、化學物質等環境因素的侵蝕；還具有很強的可塑性，通過調整纖維的類型、含量、排列方向等方式，來滿足不同樂器對材料性能的多樣化需求[1]。

在對碳纖維、玻璃纖維和大麻纖維等增強復合材料的聲學特性的研究中發現，碳纖維的聲速明顯高于其他兩種材料，其縱向超聲波速度高達 11423m/s ，是玻璃纖維（ 4726m/s ）的兩倍多，更是遠超木材（如楊木 4763m/s 、胡桃木 4037m/s 、山毛櫸木 4974m/s ），見表1。這使得它在聲學性能方面表現優異，能夠快速傳遞振動信號，讓樂器發出更加清晰、明亮的音色。

在表中也可看出，玻璃纖維與胡桃木的聲學性能相近，對于一些音質要求不是極高的樂器，玻璃纖維或許可以成為一個更為經濟實惠的替代材料，既能滿足基本聲學性能，還能有效控制生產成本。大麻纖維材料則在聲學性能方面存在一定局限性，如聲學轉換效率低、阻尼因子較高等，這使得它不太適合替代木材制作樂器。

通過不同纖維增強材料的各種數據，可以看出它們各有優劣。制作者可根據自己的預算和需求進行合理選擇。如追求高品質、高強度結構的專業樂器，碳纖維可能是更為理想的選擇，玻璃纖維相對而言更加經濟實用。

在實際的應用中，碳纖維、玻璃纖維等復合增強材料常用于制作琴身、琴頸和共鳴板等部件。例如，RainSong公司生產的碳纖維吉他，憑借先進的纖維鋪層工藝，使琴身的強度和剛性顯著提升，見圖1。經測試，該吉他在保持傳統吉他音色特點的基礎上，重量減輕了約 25% ，大大提高了演奏的舒適度。國內恩雅公司生產的碳纖維吉他X3展現出獨特的聲學特性，見圖2。在與木吉他的對比測量中，發現基音聲壓級有時低但泛音強且衰減慢，中高頻響度高響應好、面板聲速快[3]。

結合上文所寫，纖維復合增強材料在樂器制造中不僅提升了樂器的性能，還為樂器的創新提供了有力支持。相信隨著材料科學的不斷進步，纖維復合增強材料會被更多人認識和選擇。

（二）3D打印材料在音樂考古與樂器配件上的應用

3D打印因為具有工藝成本低且可根據用戶需求定制化的特征，有望成為生產樂器的理想選擇。在樂器制作中，打印材料的選擇也至關重要，它會直接影響樂器的音色、耐用性和使用體驗。

這類材料的密度相對較低，如聚乳酸（PLA）、聚乙烯與二醇改性（PET-G）、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯（ASA）等，因此制造出的樂器更加輕便，便于攜帶和運輸。這對于需要經常移動或長時間演奏的音樂家來說是一個重要的考量因素。

其最優秀的特征在于具有較高的可定制化，這意味著它們可以輕易地被塑造成各種形狀。如在吹嘴的制造過程中，這一特性使得吹嘴能夠精確地復制出設計師所期望的復雜形狀和細節，從而確保每件構件的一致性和精準度，見圖 4^[4] 。國內考古樂器的研究也證明了3D打印技術還可應用于考古樂器的復原中，但仍需進一步深入研究與探索，如圖5[5中的磬。

在樂器配件領域，3D打印材料發揮著重要作用。例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）材料具有強度高、質量輕等諸多優勢，在鋼琴轉擊器的應用中表現出靈敏度高、受溫濕度影響小等優點，其音響性能雖與木質轉擊器有差異但可被接受，弦槌柄和弦槌芯的應用具有一定可行性但仍存在改進空間，見圖6[。

然而，3D打印材料在樂器制造中的應用也面臨一些挑戰。比如，3D打印技術中常見的填充結構，可分為螺旋體（Gyroid）結構、網格（Grid）結構、立方體（Cubic）結構三種[7]，它的選擇會影響著最后的樂器品質，導致部分3D打印的樂器的聲學性能可能不如傳統材料，在追求音質完美的高端樂器制造中，無法完全滿足其需求。打印技術的不成熟也會導致樂器部件的精度和質量出現偏差，影響樂器的整體性能。但相信隨著材料科學和制造技術的不斷進步，這些問題將逐步得到解決。

三、總結與展望

在樂器制造中，雖然新型材料的出現帶來了前所未有的變革與機遇。但木材和金屬這類傳統材料樂器對比現在出現的新型材料樂器在音色表現上更具有優勢，制作共鳴體時往往能產生良好的共鳴效果。其憑借良好的聲學性能和歷史文化價值注定占據高端市場的行列，經驗豐富的工匠可以賦予每一件樂器獨特的價值和卓越的品質，這類樂器深受專業演奏者的喜歡。相對而言，工廠產出的樂器由于材料本身和各種批量化工藝處理，會造成同一批次樂器的個異化區別，也會影響專業演奏者的選擇。

纖維復合增強材料以輕量化及強度高等優點，在樂器應用中可確保結構穩固且輕便。碳纖維聲速極高的特點，可應用于一些弦樂器的共鳴箱或管樂器的管體制作中，可以傳遞更大的能量；玻璃纖維材料成本低，更適合聲學要求不那么高的樂器。這類材料在生產過程中，需要精確控制碳纖維的鋪設方向、層數等參數，通常在具備相應技術能力的工廠中進行生產。相對木材的工廠化生產，這類材料的次品產出率處于較低水平，確保了樂器的同一性，使得這類樂器更適用于進階學習者和初學者群體中。

3D打印技術為樂器制造開辟了新路徑。打印材料本身密度較低，可塑性強，耐候性出色。這類材料更多地應用在樂器的配件中，比如樂器的吹嘴，鋼琴的琴槌。制作則更加便捷，在家中有一臺3D打印機便可進行操作，但由于打印工藝的問題會導致部件在聲學性能上不如纖維材料和木材類樂器。不過隨著工藝及性能穩定性的逐漸發展，這類樂器也會在市場中占有一席之地。

新型材料以其獨特的屬性影響著樂器的材料選擇，雖然其在音色的豐滿程度上不如傳統材料，但其輕便與穩定的性質也會是入門和進階演奏者的優先選擇。科技發展也為樂器材料的聲學性能優化提供了新的可能，通過AI輔助建模軟件，可以預測不同材料組合對樂器音質的影響，縮短研發周期，提高材料創新的效率。樂器制作也將會進入一個以技術為驅動，以消費者為導向的新時代，新型材料也會在其中發光發熱。

參考文獻：

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[3]陳克昕，樂器聲學測量—碳纖維吉他與木吉他[J]，音樂生活，2022，（07）：55-58.

[4]AntonioBaciaglia、AlessandroCerutiAlfredoLiverani，Evaluationof3Dprintedmouthpiecesformusicalinstruments[J]RapidPrototypingJournal，2020，26（3）：577-584.

[5]童寅豪，運用3D打印技術對樂器磬的復原研究[J]，鎮江高專學報，2023，36（02）：61-66.

[6]王鈺，ABS材料在擊弦機上的應用性能及發展前景研究[D]，南京藝術學院，2023

[7]TomasZvonicek、MartinVasina、VladimirPata、etal，ThreeDimensionalPrintingProcessforMusicalInstruments：SoundReflectionPropertiesofPolymericMaterialsforEnhancedAcousticalPerformance[J]Polymers，2023，15（9）：2025.

作者簡介：閆宏曄，沈陽音樂學院2024級音樂音響分析研究生