关于压电陶瓷在乐器识音方面应用探究

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1、关于压电陶瓷在乐器识音方面应用探究　　摘要：文章讲述的研究利用了压电陶瓷的压电效应原理，由两部分实验组成。研究验证了压电陶瓷识别常见乐器发出的乐音音调的可行性，为发展更为完善的压电陶瓷综合识音设备建立了基础。关键词：压电陶瓷；乐器音调识别；压电效应中图分类号：TM282文献标识码：A文章编号：1009-2374（2013）27-0016-06在当今人类的生活中，乐器的普及范围越来越广，人们对乐器的需求越来越多，由此衍生出的新兴职业与科学技术也越来越多。为了满足人们对乐器音调及音色的识别需求，历史上出现了音叉工具，而随着科学技术

2、水平的提高，各种各样的电子乐音音调辨别技术也在日趋发展。市面上销售的电子吉他校音器、智能手机软件中的歌曲录制及识别程序，其基本原理便是能准确识别录制或播放的乐音的音调，从而确定与库中的乐曲音调进行匹配；电音吉他中的拾音器、唱片播放设备的磁头等，也是通过电磁技术，将乐音的音调、音色等进行准确表达。16压电陶瓷作为一种能够将机械能和电能互相转换的陶瓷材料，其功能已经在扬声器、路面震动测量仪、脉搏测量、压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置等技术中得到广泛使用。利用其对振动的敏感特性，压电陶瓷在声学领域的应用也逐渐被发掘，例如蜂鸣器

3、、声纳等，但国内对于压电陶瓷识别乐音这一应用方向的研究并不多。本研究将通过简单的方法，用吉他作为实验对象，对乐音识音的最基础部分——音调的频率识别进行实验，证明其可行性。图11背景1.1压电效应与压电陶瓷压电效应是在一定条件下实现机械能与电能相互转化的现象。当某些材料受到机械力而产生拉伸或压缩时，其内部产生极化现象，使材料相对的两个表面出现等量异号电荷，外力越大，则表面电荷越多，这种效应一般称做正压电效应，表面电荷的符号视外力的方向而定。当在这些材料上加电场时，会产生机械形变，如果是交变电场，则会交替出现伸长或压缩，即发生机械

4、振动。这种现象称之为逆压电效应。压电陶瓷是人工制造的具有压电效应的多晶压电材料。1.2压电陶瓷在声音领域的应用16在音乐及音响领域中，压电陶瓷发挥着巨大的作用。声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探测仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的逆压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过逆压电效应把交流音频电信号转换为声音信号。2音阶波

5、形采集及频率测定实验2.1实验原理本实验利用压电陶瓷的正压电效应。使用安装在吉他共鸣箱中的压电陶瓷，在弹奏者拨弦发出C大调音阶中从中央C到B（含B）的七个音，用示波器测出压电陶瓷发出的电信号的波形，并通过示波器测出每个音对应的频率，与国际通用标准音高频率转换表的音阶频率进行对照，通过对吻合程度及允许误差范围的分析，判断压电陶瓷是否可以实现识别常见乐器的乐音音调的功能。2.2实验装置2.2.1压电陶瓷及导线。本实验使用了长度约2cm、宽度约0.7cm的PZT5H压电陶瓷片与4根细导线。压电陶瓷片分为三层，两面的白色外层为正极，中

6、间层为负极。导线的其中两根约30cm，另外两根约70cm。图2本实验使用的压电陶瓷图3本实验使用的细导线2.2.2声源选取。本实验使用民谣吉他上的六根弦作为乐音的声源，弹奏者通过拨弦获得不同音调的乐音。所选取的声源已进行过精确的调音，能准确发出C大调音阶中从中央C到B（含B）的七个音。16图4本实验使用的民谣吉他2.2.3装置安装。在压电陶瓷片的两极分别焊接两根长度约30cm的导线，用“哥俩好”胶水将压电陶瓷粘贴在吉他的共鸣箱的内部，使其与共鸣箱充分接触，等待一天左右，使胶水变干（选取共鸣箱采集声音的原因在于，若想用压电陶瓷片

7、得到清晰的、可用于分析的波形，需要被采集的声音有一定的响度，共鸣箱利用了共振原理，使频率相同的声音相叠加，起到加强原声的效果）。图5共鸣箱内部图6压电陶瓷片伸出的导线与示波器相连图7吉他共鸣箱图8压电陶瓷片内部的压电陶瓷与示波器相连将压电陶瓷上的两根30cm导线从共鸣器中延伸出来，分别焊接在两块小铁片上的一端，再将70cm的两根长导线分别焊接在两块小铁片的另一端，并与示波器相连（内部的两根导线与压电陶瓷相连，如果过长，在搬运吉他时易使其缠绕并脱落，一旦脱落，因压电陶瓷在共鸣箱内部，再焊难度极大，为防止该情况发生，本实验另用两根

8、长导线延长了内部的两根导线）。2.3波形采集2.3.116采集波形概述。本实验采集了在一根弦上弹奏C大调音阶（CDEFGAB）时，示波器所显示的压电陶瓷电信号波形。实验时，每个音弹奏两次，每次弹奏后立刻将示波器定格。在采集电信号的波形的过程中，每个波形都呈现出了规律性即周期性