樂器聲學測量
—— 碳纖維吉他與木吉他

陳克昕

碳纖維作為新材料，生產技術日趨完善，應用領域也從工業逐漸擴展至樂器制作領域。相較于木材而言，這種新材料具備一定性能上的優勢，但和天然的木材相比也有一定的不足。現如今木材資源日趨匱乏，在可持續性發展廣為提倡的今天，可以確定的是更多的新材料和復合材料將被用于樂器制作。從新材料被應用到樂器制作領域以來，“革新派”熱衷于這種新材料所賦予樂器的新音色，“守正派”堅決排斥將這種新材料應用至傳統樂器制作中。兩方觀點的碰撞一直以來都很激烈，爭論的焦點大部分都集中在音色差異這一方面。

近年來樂器聲學品質越來越趨向于用客觀手段對其進行全方面的測評與研究，本文通過超聲波聲速測量儀采集木吉他與碳纖維吉他的重要聲學數據，對采用不同制作材料的同種樂器所產生的音色差異進行說明。至于音色優劣的問題，筆者認為應從聲場、指向性、材料本身等更多維度展開更加復雜的測量。除此之外，主觀評價、心理聲學同樣是不可或缺的重要因素，本文還不足以解答和評價。

“聲學是物理學的一個分支，是一門既古老而又迅速發展著的學科。”在馬大猷先生編著的《現代聲學理論基礎》一書中已經對聲學進行了詳盡的分類，樂器聲學與樂律學都并列從屬于音樂聲學。樂器聲學作為一門交叉性極強的學科，在學習者掌握大量理論知識的同時需要大量的實踐積累。

一、吉他的聲學特性

霍薩樂器分類法基于樂器聲學的振動特征，較為全面地將樂器劃分為弦鳴樂器、氣鳴樂器、體鳴樂器、膜鳴樂器和電鳴樂器。吉他作為琉特琴屬中的撥弦類弦鳴樂器，被廣泛應用于流行、爵士、民謠、搖滾等各類音樂風格中。進入到20世后，由于吉他的音色獨特且適用的音樂風格多種多樣，便成為廣為流行的樂器之一。在歷經多次改革后，（原聲）吉他可分為古典吉他、弗拉明戈吉他、平面吉他（民謠吉他）、拱面吉他（爵士吉他）四大類。

吉他的發聲原理大致相同，當琴弦被激勵時弦振動通過琴碼迅速傳遞至面板，隨之帶動吉他腔體振動并傳遞至背板，聲音通過板振動以及音孔輻射到琴體外部。我們知道，琴弦自身振動所發出的音量是極其微弱的，即便體積較大的鋼琴亦是如此，這就需要借助琴碼將弦振動傳遞給粘有音梁的面板，如同鋼琴音板上的肋木一樣，由于音梁的輔助作用，振動被迅速傳遞至整塊面板。吉他面背板厚度為2.5mm左右，音梁在高效傳遞振動的同時又加固了較為脆弱的板體。不考慮制作材料等其他因素，弦碼及音梁的性能對吉他來說是至關重要的。

同其他弦類樂器一樣，吉他的振動模式為比較典型的耦合振動系統，對于低頻共振來說，“需要面板、背板和封閉空氣的耦合運動”。“在高頻中，大多數聲音是由面板輻射的”，此時的弦碼尤為重要。對于不同種類的吉他，將至少產生一個強烈的共振。就吉他自身來說，材料選擇（木材、弦材）、制作工藝（弧度、薄厚）、激勵動作（撥、彈、掃、打等）、觸弦位置、握持方式都會對吉他音色產生不同程度的影響。關于觸弦位置對吉他音色的影響，我們需要知道弦振動是一個較為復雜的過程，其中包含橫振動、縱振動、倍頻振動、扭轉振動四種狀態，全弦在振動的同時其分段也在振動，從而產生基波與諧波。“如果在弦非中心的位置撥動琴弦，其振動的組合模式便會不同”。在琴弦的幾分之幾處撥動琴弦，此處的諧波將被抑制，由于諧波的組合與強度產生變化，音色也自然隨之變化。鋼琴對于擊弦點的設置也是以此為原理，它對鋼琴的音色設計起到了至關重要的作用。

二、測量準備

（一）測量對象

此次測量對象為價位相近的傳統木制吉他41寸缺角Nathan T-440以及碳纖維吉他41寸缺角Enya x3，兩把吉他琴頸、共鳴箱體形制相近。更換相同品牌琴弦——D’Addario達達里奧EXP16。主要測量面板數據，被測木吉他面板材質為西提卡云杉木。被測碳纖維吉他面板材質為含碳量95%以上的碳纖維，背側板為HPL材料。

（二）測量裝置

Nor150聲級計。IEC61672-1，I級，符合IEC61672-1Ed.2.0(2013)精度要求。可選1/1倍頻帶和1/3倍頻帶濾波器符合IEC 61260(2014)I級精度要求。配有Nor1225自由場麥克風，頻率范圍3.5Hz-20kHz。Nor1209前置放大器，頻率響應20Hz-20kHz，精度±0.1dB。MMF（KS94B）17001型振動傳感器，壓電集成電路（IEPE）型，靈敏度2.51mV/（m/s2）。LucchiMeter超聲波聲速測量儀。測量精度+/- 0.16μs。

（三）測量方法

1.音頻數據采集

采集兩把吉他音質時聲級計擺放與琴體位置關系如圖1測量場景所示，Nor150聲級計固定至三腳架，防風罩平面垂直于吉他面板1米處。測量時儀器操作者向實驗員發送指令，完成一次測量周期。激勵時兩吉他的觸弦位置相同。

2.振動測量

為模仿吉他演奏時的打板技巧，保證打板力度相等，測量采用固定長度的帶線小球以同等直線距離模擬打板軌跡落在面板常用的打板位置“A”點。振動傳感器粘貼位置及激勵球體觸發距離如圖1所示。將位置固定好后，小球距離兩把吉他琴體“A”點直線距離360mm。兩把吉他振動傳感器同粘貼在“B”點。每次測量前實驗員先將小球拉至標定位置，準備好后向儀器操作者發送指令完成測試。

圖1 測量場景 實驗員：孫詩琪

3.聲速采集選擇同一平面放置兩把吉他，輸入測量參數后進行聲速測量，儀器測量數值穩定后記錄，測量結果不穩定時將進行復測。

4.聲場

本測量在封閉空間聲場中進行。

三、數據采集及分析

在六弦空弦、五弦十七品、六弦十二品泛音及掃弦測量中皆采集0 —2秒數據。所有聲壓級數據均為等效平均聲壓級 。時域圖像采集0 —8秒數據，為頻率所在的1/3倍頻帶，橫坐標為時間，縱坐標為dB（聲壓級）。頻譜橫坐標為Hz（頻率），縱坐標為dB（聲壓級）。頻譜圖最下方“（ x）”括號中的數字代表經多少倍數縮放。表中的頻率數值為泛音頻帶內最大的等效平均聲壓級。測量前將進行三次以上的預測量，確保數值穩定后進行正式測量。

1.六弦空弦

根據圖2表格所示，碳纖維吉他基音比木吉他基音低6.5dB的情況下，第三泛音和第四泛音的聲壓級反而明顯高于木吉他。聲壓級隨泛音列級數增長而降低的幅度遠低于木吉他。根據圖3頻譜圖像可以看出，低頻帶無明顯差異，在中高頻帶碳纖維吉他能夠激起更多的泛音，且響度更大。

圖2

2.五弦十七品

根據圖2表格所示，同樣在碳纖維吉他基音聲壓級低于木吉他的情況下，第一至第四泛音聲壓級反而比木吉他泛音聲壓級高，且衰減幅度更小。根據圖3頻譜圖像可以看出，整體上碳纖維吉他對各頻帶的響應更加充分，且響度變化較小。而木吉他各頻帶響度變化較大，且衰減更快。

圖3

3.六弦十二品泛音

根據圖2表格所示，兩把被測吉他基音聲壓級相差不大的前提下，第一到第四泛音的聲壓級皆高于木吉他。根據圖3頻譜圖像可以看出低頻帶木吉他響度略大于碳纖維吉他，中高頻帶碳纖維吉他的響度反比木吉他更大，且響度變化較小。

4.C大三和弦掃弦

如圖2表格所示 和 兩音木吉他響度略大于碳纖維吉他，其余各音相差不大。根據圖3頻譜圖像可以看出，低頻帶木吉他響度略大于碳纖維吉他。碳纖維吉他各頻帶曲線變化較平緩，中高頻帶碳纖維吉他的響度略高于木吉他。

5.一弦空弦時域特征

根據圖2一弦空弦時域表格所示，同頻帶下碳纖維吉他0 —8秒衰減值低于木吉他。根據圖3時域圖像可以看出木吉他空弦0 —3秒衰減幅度較大。碳纖維吉他空弦0 —8秒衰減曲線相對平緩，衰減速度較木吉他更慢。

6.面板振動測量

在攝像焦距與小球繩子長度固定的前提下，我們利用慢鏡頭回放可以看出碳纖維小球彈起的距離要高于木吉他。兩吉他振動頻譜差異不大。

7.聲速采集

根據圖2表格測量數據可以看出整體上碳纖維吉他聲速要快于木吉他。在兩把吉他面板上部橫向距離相等的情況下，碳纖維吉他聲速比木吉他聲速快2136m/s。面板左側縱向距離相差2mm情況下，碳纖維吉他聲速要比木吉他聲速快1659m/s。面板右上到左下方向的斜向距離相差7mm情況下，碳纖維吉他聲速要比木吉他聲速快1882m/s。而背板和側板聲速差異不大。

四、結語

中，這一特征尤為明顯。根據時域圖像可以看出，碳纖維吉他衰減速度更慢、幅度更小、更接近于線性。通過觀察對比聲速數據，碳纖維吉他面板聲速要明顯快于木吉他。兩把吉他在音色風格上產生差異，很大程度上是因為制作面板材料的不同。碳纖維為人工材料，在密度、結構、硬度等方面是可控可設計的，對比天然木材的密度更為均勻，所以振動更為規則。在背側板聲速數據對比中，選用HPL材料制作背側板的碳纖維吉他與木吉他差異不大。

在進行音頻采集的過程中筆者發現，即便經驗再豐富的演奏者每次演奏相同音符的力度與速度在高精密儀器下也很難達到絕對統一，更何況還要考慮到“彈”“撥”“打”等一系列激勵動作所發出的噪音，兩項誤差疊加將對測量結果產生不同程度的影響，同時對科學的定量分析造成困難。激勵方式與激勵層次對彈撥類樂器音色的影響是較大的。對于精度要求較高的樂器聲學測量，設計或運用輔助工具是極其必要的。