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随着社会的进步和人们生活水平的提高,钢琴这种乐器正越来越受到人们的欢迎,而钢琴音板是钢琴组成结构中的关键部件,对钢琴整体的发音质量具有巨大的影响。统计数据表明我国不仅是钢琴的消费大国,也是钢琴的生产大国,因此科学地和系统地对钢琴音板的振动和声辐射进行分析具有积极的现实意义。
本文以立式钢琴的音板作为研究对象,由于钢琴音板是一个复杂的结构体,而传统的解析法只能分析简单且规则的结构振动与声辐射问题,所以本文基于有限元和边界元的基本理论,借助ANSYS和SYSNOISE软件,采用计算机仿真分析了钢琴音板的振动声辐射特性。
众所周知,模态是分析结构振动的重要参数,通过分析音板的固有频率和模态振型将有助于我们深入了解钢琴音板的振动。因此本文首先在 ANSYS中建立了钢琴音板的有限元模型,并选择LANCZOS法分别提取了音板和光板的模态数据,分析和对比两者在固有频率和模态振型上的差异。结果表明钢琴音板具有更大的刚度,它的各阶固有频率均高于对应光板的固有频率,各阶固有频率之间的变化也较光板的大;同时音板具有更加复杂的振动模式,音板各阶振型所对应的主振型位移均比光板的小。
现实中,钢琴音板的固有频率受许多因素的影响,本文通过音板密度、音板厚度和音板所选用的树种类型这三个方面,对钢琴音板的基频特性做了分析。分析结果显示这些参数的改变都将对钢琴音板基频产生明显的影响,具体表现为钢琴音板的基频随厚度的增加而升高,随密度的增大而降低;选取轻木作为音板用材可获得最高基频,而选取核桃木作为音板用材则可获取最低基频。
为进一步研究钢琴音板的声辐射特性,本文将ANSYS和SYSNOISE这两个软件紧密结合使用,通过导入ANSYS生成的有限元模型,在SYSNOISE里建立了有限元和边界元耦合的模型。首先对比了光板和音板在辐射功率、辐射效率和结构能量这三个方面的差异,从中发现肋木在一定程度上抑制了音板的声辐射,但音板的辐射功率并不比光板辐射功率小很多,相反在某些频点音板的辐射功率大于光板的辐射功率;音板在中频段具有较光板平滑的辐射功率曲线和辐射效率曲线,在高频段具有较高的辐射声功率和在全频段具有较高的辐射效率。同时音板的辐射功率和振动能量全面衰减的频点比光板全面衰减的频点高几百赫兹。
通过改变激励力的位置,发现钢琴音板辐射声功率和辐射声压的峰值在低频段和高频段较少出现,音板声辐射的能量在中频段比较集中。钢琴音板的辐射声功率、辐射声压均随激励力的增大而增大,但辐射效率并不随激励大小而变化。当改变钢琴音板厚度时,分析表明除个别频点外,辐射功率、辐射声压总体上是随厚度的增加而减小,但辐射效率随厚度的增加而增加。而阻尼的增加虽然使得钢琴音板在辐射声压和辐射功率的数值上都变小,但提升了辐射效率,并使得音板的辐射效率、辐射声压和辐射功率曲线具有良好的平滑度。
钢琴音板的振动和声辐射都是一个复杂的物理过程,而本文的分析结论对于今后进一步改进钢琴音板的发音质量具有一定的参考价值。