中国传统乐器振动与声音特性探讨

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1、中國傳統樂器振動與聲音特性探討指導教授：王栢村教授學生姓名：李雨軒張志偉黃郁翔學號：A8932038A8932052A8932047國立屏東科技大學機械工程系器，下至球拍、玻璃杯、等…。只要是聲音的摘要範圍者無不相關。至於聲音的分析方面，就過去的做法，僅以經驗的方式來分析，如今隨著本文以探討中國傳統樂器－銅鑼之振動科技的發達，本實驗利用頻譜分析儀以及實驗與聲音特性為目的。研究方式分兩大主體，其的搭配，再以驗証分析，進而了解樂器的振動一利用有限元素分析獲得銅鑼之模態參數，再方式與聲音之間的關係。與以衝擊鎚為輸入，加速度計為輸出的實驗模

2、本實驗利用頻譜分析儀及有限元素分析態分析之結果進行模型驗證。其二以衝擊鎚為求出理論及實驗之模態參數和頻率響應函輸入，麥克風為輸出配合頻譜分析儀進行聲音數，進一步作模型驗證，以確定有限元素模型量測。進而了解振動與聲音特性之間的關聯是否能代表實體模型，再加上聲音的量測，討性。論聲音特性與振動之間的關聯性。本文第一階段以有限元素分析進行理論利用已驗證完畢之有限元素模型去設計分析，再由實驗而得到銅鑼的模態參數(自然不同尺寸、材質之銅鑼，並討論尺寸、材質的頻率、模態振型、阻尼比)，將理論分析與實改變與模態參數的相關性，進而增加製銅鑼的驗模態分

3、析進行模型驗證。便性。第二階段以麥克風作聲音量測，嘗試得到Brody[11]對網球拍的研究，Brody的實聲音特性，並與第一階段之結果作對照，探討驗方式分為二部份，其一是固定球拍，其二是振動與聲音特性的關聯性。不固定球拍。本實驗也採取Brody的free-free不固定球拍方式，也就是沒有位移的限制。一、前言ChaigneandDoutan[12]的研究動機是測試木琴的物理現象，其利用木槌敲擊木琴，進振動的問題一直存在於日常生活中，其而探討時間域的聲壓輻射之計算，並利用有限造成了能量的損失，也是造成機器破壞的原因元素分析模擬的方式，

4、以及數學模式的原理去之一，所以減少振動和隔離振動，便是每個工比對兩者的差異。Chaigne對於木琴研究範圍程師的目的。看似毫無用途的振動，實則更是包括了敲擊的器材木槌以及木琴bar都一併作有著存在的價值。分析。樂器的振動方式與其發出聲音大小、音質[8,9,12,14-16]等，不論是小提琴、木琴、好壞有相當大的關係，舉凡與聲音相關者，上定音鼓、揚聲器…等，皆是對樂器作深入研至鋼琴、吉他、定音鼓、三角鐵、木琴…等樂究。有鑑於此，本研究以銅鑼作振動與聲音之1深入探討。將R方向分16等份，θ方向分32等份，如圖3所示。因實體由一尼龍繩所懸

5、吊，故有限二、問題定義／分析目標元素模型位移限制採用四周皆為free-free的方式。2-1、問題定義：由於楊氏係數及浦松比未知，而密度可本文採用中國傳統樂器直徑為22.5cm的由體積及重量求得，故利用最佳化程式，輸入小型銅鑼，如圖1，採用free-free邊界進行有已知的密度，而未知的楊氏係數和普松比則以限元素分析、實驗模態分析及聲音量測。模擬文獻中的參考數據給定上下限，以實驗模態之free-free邊界之方式為以尼龍繩懸掛於一支撐模態參數為基準，求出較吻合之楊氏係數及普架，依銅鑼之外形分割為33點進行實驗，如松比。圖2所示。其尺

6、寸及性質如表1、表2所示。首先進行模態分析(ModalAnalysis)，求出2-2、分析目標：模態參數及振型。模態參數的修正以最佳化進1.以有限元素分析架構一有限元素模行。再進行簡諧分析(HarmonicAnalysis)，配合型，進行有限元素分析，得到理論之模實驗之敲擊點，給定不同位置之力量，由於模態參數及頻率響應函數。再針對實體作型本身非一平面，故給定之力量需依照模型表實驗模態分析求得實驗之模態參數及面之傾斜角度給定不同方向之力量，量測位置頻率響應函數。以實驗模態分析為基亦需依照其不同位置傾斜的不同角度求出其準，對有限元素分析

7、進行比對驗證，包不同方向的數據，進行數學運算，求出頻率響括自然頻率、振型、頻率響應函數。進應函數。而確定有限元素模型之正確性。模態驗證流程圖如圖4。四、實驗模態分析2.針對銅鑼之聲音作分析，藉由衝擊鎚的敲擊，將所量測到之訊號傳入頻譜分析4-1、實驗模態分析：儀作分析及探討。並以振動分析所得之本文的實驗架構及實驗設備如圖5所模態參數與聲音量測所得之聲音特性示，首先將衝擊鎚及加速度計以導線經過電荷進行比對，以找出聲音與振動之關聯性放大器分別接於BK-3550頻譜分析儀之A、B3.藉由與實驗模態驗證過之有限元素分輸入模組，再透過介面將頻譜

8、分析儀與己安裝析模型進行設計分析，以不同尺寸及材CADA-PC之個人電腦相互連接。本實驗的作質作為設計原則，探討其尺寸及材質不動原理是以衝擊鎚對銅鑼激振，搭配感測器－同時，模態參數及聲音特性的變化和關加速度器，以量取銅鑼之響應訊號。經