碳纖維面板在原聲吉他應用中的研究

一、引言

原聲吉他作為一種古老而流行的樂器，其音色和穩定性與所用材料密切相關。傳統原聲吉他的面板多采用云杉、紅松等木材，雖然具有獨特的共鳴效果，但容易因濕度和溫度變化而出現變形或音質衰退的問題。多年來，碳纖維以其高剛性、輕量化及耐候性，逐漸被應用于航空、汽車等領域，其在樂器制造中的潛力亦引起關注。

已有研究和部分工業實踐顯示，原聲吉他面板在音色形成中起決定性作用。例如，一些實驗表明，面板的材料和厚度直接影響吉他低頻共振與延音效果。而碳纖維與木質材料在剛性上的差異，可能導致兩者在聲學表現上的顯著不同。因此，系統研究碳纖維面板在原聲吉他中的應用，不僅有助于改進吉他制造工藝，也能為新型復合材料樂器的發展提供數據支撐和理論依據。

本文以一款標準D型木質原聲吉他為基礎，通過改裝面板為不同參數的碳纖維材料，開展了結構穩定性及聲學性能的實驗研究。下文將詳細介紹實驗所用材料、方法、實驗結果與討論，并對未來改進方向進行展望。

二、實驗材料與方法

（一）材料與設備

為確保實驗數據的可比性，選用一款傳統D型吉他作為實驗樣品，僅更換面板材料，其余部件保持不變。

1.面板材料：本實驗共采用三種類型的碳纖維面板：

（1）2mm厚交叉紋路碳纖維板（2）1.5mm厚交叉紋路碳纖維板（3）1.5mm厚單向紋路碳纖維板

2.其他組件：背側板仍使用傳統木質合板，琴頸采用桃花芯木，琴碼與指板均選用玫瑰木；琴弦使用達達里奧EJ11黃銅琴弦（規格12-53）。

3.粘接工藝：粘接采用環氧樹脂AB膠，保證碳纖維面板與木質結構之間形成穩定牢固的粘接界面。

4.設備：數控切割機用于精密切割碳纖維板；博世電鉆和電磨機輔助完成邊緣修整和孔槽加工；聲學測試采用電容麥克風采集信號。

（二）實驗設計

為系統評估碳纖維面板對吉他性能的影響，本文將實驗分為兩部分：

-108- Musical Instrument Magazine

1.實驗一（Test 1）

使用2mm厚交叉紋路碳纖維面板對吉他進行改裝，主要考察裝配工藝、結構穩定性及在標準琴弦張力作用下的機械表現，同時記錄空弦信號，利用頻譜分析評估低頻共振和延音效果。

2.實驗二（Test 2）

采用1.5mm厚碳纖維面板，分別制作交叉紋路和單向紋路兩種版本。重點對比不同編織方式在抗變形性能和高頻響應上的差異，并結合頻譜數據進行綜合討論。

（三）測試方法

1.裝配工藝

首先，利用熱風槍對原有木質面板與側板、琴頸接合處進行預熱，使原膠水軟化后拆除原面板。根據吉他原面板尺寸繪制圖紙后，借助數控切割機精準加工出碳纖維面板。在設計時預留額外2mm邊緣，粘接后再經修整切割至標準尺寸。使用環氧樹脂AB膠將碳纖維面板與木質背側板對齊粘接，并利用專用夾具固定24小時以上，確保膠水

完全固化。隨后完成琴頸槽和下碼孔的切割、修整及安裝，確保整體結構的精度與穩定性。

2.聲學測試

在安靜環境中采用電容麥克風采集吉他空弦信號，經音頻接口輸入計算機后得到電平曲線，編程對數據進行處理生成頻譜-時間圖。測試指標包括基頻、各泛音峰值及其衰減時間。通過與改裝前數據的對比，評估碳纖維面板對吉他音色和延音效果的影響。圖1為2mm交叉紋路碳纖維面板聲學測試現場示意圖。

三、實驗結果與分析

（一）結構穩定性分析

實驗一結果顯示，采用2mm厚交叉紋路碳纖維面板的吉他在弦張力作用下，面板與背側板之間粘接牢固，經長時間放置未見明顯開膠或形變。雖在拆卸與粘接過程中曾出現側板輕微變形，但整體裝配誤差均控制在允許范圍內，可滿足演奏要求。實驗二中，盡管1.5mm厚面板在部分區域出現輕微變形，但經過修整后依然能夠穩定支撐琴弦，表明碳纖維面板具備較高的抗彎能力和結構穩定性。

（二）聲學性能分析

1.實驗一聲學性能分析

圖2為2mm交叉紋路碳纖維面板/木質面板各弦電平峰值圖，從該圖可以看出，碳纖維面板吉他在不同弦上的音色表現各有特點。在低音弦（5弦與6弦）上，其表現較為均衡，基頻和第一泛音的電平峰值達到最高值，而在第二泛音之后，各個電平峰值保持在一個較為平穩的范圍內；在高頻區（2kHz以上），低音弦的泛音表現出較高的電平峰值，使得低音弦在聽感上顯得比較明亮。對于3弦與4弦，碳纖維面板與木質面板展現出不同的音色特點，在不同的泛音區各有高低，但整體上木質面板的泛音表現更為充足，聽感上更為飽滿；特別是在4弦的第3、第4泛音以及3弦的第2、第3泛音頻段上，碳纖維面板表現出較明顯的缺失。至于高音弦1弦與2弦，碳纖維面板的頻譜曲線在第4、第5泛音區出現了明顯的凹陷，且在高頻區的泛音上表現出更弱的電平峰值，導致在聽感上，1弦與2弦顯得細節不足且高頻單薄。

圖3為 2mm 交叉紋路碳纖維面板/木質面板頻譜-時間圖。從圖中可以看出，碳纖維面板吉他在低音弦上表現出色，尤其在 400～2000Hz 的中頻段，泛音充足，共振飽滿，明顯優于木質面板吉他。對于3弦，雖然整體衰減速度與木質面板吉他相近，但其第2泛音表現出非常明顯的缺失，而第3泛音兩者均經歷了快速衰減過程，不過木質面板在1秒處因共振有所增強。在高音弦上，碳纖維面板吉他不僅存在高頻泛音的缺失，還表現出較快的衰減速度。

2.實驗二聲學性能分析

通過對比1.5mm交叉紋路與單向紋路面板的測試數據，發現除因弦距原因外，兩種面板在部分頻段表現存在差異。交叉紋路面板整體高頻響應略顯充足，而單向紋路面板在部分高頻段表現相對較弱，但在低頻與中頻部分則均能提供飽滿延音效果。整體聽感上，交叉紋路面板的音色顯得更加明亮。

3.兩次實驗綜合分析

兩次實驗顯示，幾種碳纖維用作吉他面板時，其衰減特性較為接近。在衰減至環境噪音聲壓級的時間長度上，低音弦的衰減時長接近14秒，這表明碳纖維面板在吉他上能夠提供相當出色的延音效果。值得注意的是，對于1.5m厚度的碳纖維復材面板來說，在6弦的第一泛音處（約162Hz）、5弦的第一泛音處（約215Hz）、4弦的基音處（約 150Hz ）以及3弦的基音處（約194Hz），這些頻段的觸發波峰相對較高，但衰減速度較快，僅維持約2-4秒，說明碳纖維復材面板在這些頻段上無法產生良好的共振效果。然而，在中頻段（約 300Hz800Hz ），碳纖維復材面板則能夠實現較長的衰減時長，最長可達14秒左右，使得吉他在該頻段上表現出充沛的延音特性。

a：碳纖維面板6弦；b：木質面板6弦；c：碳纖維面板3弦；d：木質面板3弦；e：碳纖維面板1弦；f：木質面板1弦

四、討論

實驗結果表明，碳纖維面板在原聲吉他應用中具有一定優勢，尤其在中、低頻共振和延音效果上較傳統木質面板有明顯提升。然而，高頻響應不足仍是一個需要克服的問題。可能原因包括材料本身的高剛性和粘接工藝對振動傳遞的影響。為改善這一問題，未來的研究可考慮以下幾點：

1.面板厚度優化：在滿足結構強度的前提下，適當降低面板厚度可能有助于改善高頻泛音的釋放。

2.編織方式改進：進一步研究不同編織結構對振動特性的影響，探索更適合音色傳遞的工藝。

3.內部支撐結構和粘接工藝優化：木質吉他面板通常采用“傳統膠水 .+ 燕尾榫”或“木膠 + 音梁支撐”，這些連接方式允許面板自由振動，而環氧樹脂較硬，可能導致局部剛性增大，抑制高頻振動，可以探索引入交叉音梁或其他內部支撐結構，粘接時采用模具固定或改進夾具設計，提升整體裝配精度，以改善整體共振效應和高頻能量分布。

通過以上改進措施，有望在保持中、低頻優勢的同時，進一步提升高頻響應，最終實現傳統音色與現代復合材料優點的有機結合。

五、結論

本文通過對改裝原聲吉他的實驗研究，得出以下主要結論：

1.結構穩定性：碳纖維面板通過環氧樹脂粘接工藝與木質背側板形成了牢固的粘接界面，保證了吉他在弦張力作用下的結構穩定性。 2mm 厚交叉紋路面板表現尤為突出。2.中、低頻優勢：碳纖維面板在中、低頻區域，尤其在 400～2000Hz 區域內具備良好的共振和延音效果，音色表現更為飽滿。3.高頻不足： 2kHz 以上頻段泛音衰減較快，高頻響應仍顯不足，提示碳纖維材料高剛性可能限制了高頻振動能量的傳遞。4.工藝參數影響：不同厚度和編織方式對吉他音色有一定影響，1.5mm單向紋路面板在部分高頻段表現相對較好，未來設計可針對這一點進行優化。

總體來說，碳纖維面板作為原聲吉他面板具有廣闊應用前景，但在實際應用中需綜合考慮材料參數、粘接工藝和內部支撐設計等因素，以實現最佳的音色和結構穩定性。

作者單位：長沙幻音科技有限公司