新型材料對(duì)樂(lè)器聲學(xué)性能的影響

引言

木材、金屬、動(dòng)物材料在樂(lè)器制作中使用廣泛，但都有各自局限性。木材資源稀缺、受溫濕度影響大且加工工序復(fù)雜；金屬重量大、易腐蝕且處理工藝繁瑣；動(dòng)物材料聲學(xué)性能不穩(wěn)定、取材難，同時(shí)還受法律與環(huán)保約束。這些因素制約了樂(lè)器的生產(chǎn)普及，所以，尋找性能更優(yōu)越、更穩(wěn)定的新型材料來(lái)替代或增強(qiáng)傳統(tǒng)材料，是樂(lè)器制造領(lǐng)域等待解決的問(wèn)題。

研究現(xiàn)狀

隨著科技進(jìn)步與環(huán)保理念深入人心，新型材料為樂(lè)器制造帶來(lái)新活力。國(guó)外在復(fù)合材料和碳纖維等新型材料的研究方面進(jìn)展顯著，MarcosZambrano在《通過(guò)有限元法和有效質(zhì)量的模態(tài)研究對(duì)木質(zhì)小提琴和碳纖維增強(qiáng)材料小提琴聲學(xué)性能的比較》中指出，碳纖維提琴輕量化且高強(qiáng)度，耐用性佳，未減薄厚度的碳纖維提琴與優(yōu)質(zhì)木制小提琴相比，雖平均發(fā)聲更響但演奏效率低、低頻共振差、音色和諧波性能欠佳，不過(guò)通過(guò)調(diào)整厚度可改善，適合進(jìn)階學(xué)生，而專(zhuān)業(yè)的演奏家仍多選用優(yōu)質(zhì)木制小提琴。Antonio Bacciaglia在《樂(lè)器用3D打印吹嘴的評(píng)估》中探討了3D打印樂(lè)器吹嘴若設(shè)計(jì)精準(zhǔn)、選材合適，音質(zhì)與舒適度可接近傳統(tǒng)吹嘴，且在個(gè)性化和經(jīng)濟(jì)方面具有優(yōu)勢(shì)，光固化成型技術(shù)打印的吹嘴表現(xiàn)出色，其形狀對(duì)音質(zhì)影響大，為樂(lè)器制造帶來(lái)創(chuàng)新潛力。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也積極投入樂(lè)器材料創(chuàng)新研究。徐敏在《樂(lè)器用一種新型復(fù)合材料制備及聲音傳播性能研究》中發(fā)現(xiàn)，以聚乳酸樹(shù)脂和亞麻纖維為原料的復(fù)合材料在樂(lè)器制造中具有潛力，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，聲音在 20% 亞麻復(fù)合材料中的傳播速度與50年桃花心木材料相近，這意味著亞麻復(fù)合材料有望成為制作多種樂(lè)器的合適材料。楊繼鵬在《樂(lè)器用玻璃纖維/樺木單板復(fù)合材料的制備及性能》中以樺木單板為基體、玻璃纖維為增強(qiáng)材料制備的復(fù)合材料，其玻璃纖維布鋪放位置與層數(shù)會(huì)影響聲學(xué)性能，鋪于表層單板下且兩層時(shí)效果最佳，該材料有替代傳統(tǒng)木材用于樂(lè)器加工制備的可行性。付曉東和李昊辰在《二胡人工皮膜研究現(xiàn)狀的調(diào)查與思考》中對(duì)二胡人工皮進(jìn)行研究，二胡人工皮由合成纖維織物與其他材料復(fù)合而成，雖有進(jìn)展，但在聲學(xué)性能提升和材料工藝優(yōu)化等方面仍面臨挑戰(zhàn)，需進(jìn)一步研究改進(jìn)。顧君怡在《碳纖維在西洋管樂(lè)器中的應(yīng)用》中指出在銅管樂(lè)器（如小號(hào)、長(zhǎng)號(hào)）和木管樂(lè)器（如薩克斯管）中采用“局部碳纖維”模式，具有能增強(qiáng)對(duì)聲音的控制、降低演奏氣力、穩(wěn)定音色、提高演奏舒適度、減少能量損耗、延長(zhǎng)樂(lè)器使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。李樹(shù)錚在《基于3D打印建模技術(shù)的漢代樂(lè)器復(fù)原可行性研究》中使用3D打印復(fù)刻出來(lái)的“筑”的復(fù)制品還原了樂(lè)器的細(xì)節(jié)，但因材質(zhì)問(wèn)題樂(lè)器音色有“塑料感”，與原品有著巨大差異。童寅豪在《運(yùn)用3D打印技術(shù)對(duì)樂(lè)器磬的復(fù)原研究》中運(yùn)用3D打印技術(shù)對(duì)江蘇盱眙大云山1號(hào)漢墓出土的仿玉玻璃編磬進(jìn)行復(fù)原研究，發(fā)現(xiàn)建模磬相較于樣本磬存在偏差，偏差多在人力加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生。

這些國(guó)內(nèi)外的研究展示了新型材料創(chuàng)新在樂(lè)器上的多元化探索，為未來(lái)發(fā)展提供了豐富的研究資料和經(jīng)驗(yàn)，但也反映出了在追求材料創(chuàng)新過(guò)程中仍面臨一些問(wèn)題。本文將深入研究新型材料對(duì)樂(lè)器聲學(xué)性能的影響。通過(guò)新型材料在實(shí)際應(yīng)用中的案例分析，旨在為樂(lè)器制造提供引導(dǎo)，推動(dòng)樂(lè)器制造工藝創(chuàng)新的可能性。

二、新型材料的分析與應(yīng)用

（一）纖維復(fù)合增強(qiáng)材料在樂(lè)器上的創(chuàng)新

纖維復(fù)合增強(qiáng)材料（Fiber-reinforced composites）的出現(xiàn)為樂(lè)器的創(chuàng)新與發(fā)展提供了新的可能。在樂(lè)器制造中，不同的增強(qiáng)材料與樹(shù)脂等基體材料結(jié)合后的特性也各不相同，比如常用的碳纖維、玻璃纖維或大麻纖維等都分別對(duì)樂(lè)器的聲學(xué)性能和品質(zhì)有顯著影響。

此類(lèi)材料具有眾多傳統(tǒng)材料沒(méi)有的特性。因其密度通常處于 1.2～2.0g/cm³ 的范圍，傳統(tǒng)金屬的密度大概在7.4～8.9g/cm³ 之間，導(dǎo)致這一特性便于樂(lè)器的攜帶與操作。碳纖維、玻璃纖維等纖維復(fù)合增強(qiáng)材料的強(qiáng)度極高，比木材能承受更大的外力作用，不易發(fā)生形變，有效保障了樂(lè)器在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。

以碳纖維為例，其拉伸強(qiáng)度普遍在3500MPa（兆帕），部分高性能產(chǎn)品甚至可達(dá) 6000MPa ，是鋼的4～8倍；彈性模量在 230GPa ，是鋼的 1.8～2.6 倍；其良好的耐腐蝕性，可抵御潮濕、化學(xué)物質(zhì)等環(huán)境因素的侵蝕；還具有很強(qiáng)的可塑性，通過(guò)調(diào)整纖維的類(lèi)型、含量、排列方向等方式，來(lái)滿足不同樂(lè)器對(duì)材料性能的多樣化需求[1]。

在對(duì)碳纖維、玻璃纖維和大麻纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料的聲學(xué)特性的研究中發(fā)現(xiàn)，碳纖維的聲速明顯高于其他兩種材料，其縱向超聲波速度高達(dá) 11423m/s ，是玻璃纖維（ 4726m/s ）的兩倍多，更是遠(yuǎn)超木材（如楊木 4763m/s 、胡桃木 4037m/s 、山毛櫸木 4974m/s ），見(jiàn)表1。這使得它在聲學(xué)性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，能夠快速傳遞振動(dòng)信號(hào)，讓樂(lè)器發(fā)出更加清晰、明亮的音色。

在表中也可看出，玻璃纖維與胡桃木的聲學(xué)性能相近，對(duì)于一些音質(zhì)要求不是極高的樂(lè)器，玻璃纖維或許可以成為一個(gè)更為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的替代材料，既能滿足基本聲學(xué)性能，還能有效控制生產(chǎn)成本。大麻纖維材料則在聲學(xué)性能方面存在一定局限性，如聲學(xué)轉(zhuǎn)換效率低、阻尼因子較高等，這使得它不太適合替代木材制作樂(lè)器。

通過(guò)不同纖維增強(qiáng)材料的各種數(shù)據(jù)，可以看出它們各有優(yōu)劣。制作者可根據(jù)自己的預(yù)算和需求進(jìn)行合理選擇。如追求高品質(zhì)、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的專(zhuān)業(yè)樂(lè)器，碳纖維可能是更為理想的選擇，玻璃纖維相對(duì)而言更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

在實(shí)際的應(yīng)用中，碳纖維、玻璃纖維等復(fù)合增強(qiáng)材料常用于制作琴身、琴頸和共鳴板等部件。例如，RainSong公司生產(chǎn)的碳纖維吉他，憑借先進(jìn)的纖維鋪層工藝，使琴身的強(qiáng)度和剛性顯著提升，見(jiàn)圖1。經(jīng)測(cè)試，該吉他在保持傳統(tǒng)吉他音色特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重量減輕了約 25% ，大大提高了演奏的舒適度。國(guó)內(nèi)恩雅公司生產(chǎn)的碳纖維吉他X3展現(xiàn)出獨(dú)特的聲學(xué)特性，見(jiàn)圖2。在與木吉他的對(duì)比測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)基音聲壓級(jí)有時(shí)低但泛音強(qiáng)且衰減慢，中高頻響度高響應(yīng)好、面板聲速快[3]。

結(jié)合上文所寫(xiě)，纖維復(fù)合增強(qiáng)材料在樂(lè)器制造中不僅提升了樂(lè)器的性能，還為樂(lè)器的創(chuàng)新提供了有力支持。相信隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，纖維復(fù)合增強(qiáng)材料會(huì)被更多人認(rèn)識(shí)和選擇。

（二）3D打印材料在音樂(lè)考古與樂(lè)器配件上的應(yīng)用

3D打印因?yàn)榫哂泄に嚦杀镜颓铱筛鶕?jù)用戶需求定制化的特征，有望成為生產(chǎn)樂(lè)器的理想選擇。在樂(lè)器制作中，打印材料的選擇也至關(guān)重要，它會(huì)直接影響樂(lè)器的音色、耐用性和使用體驗(yàn)。

這類(lèi)材料的密度相對(duì)較低，如聚乳酸（PLA）、聚乙烯與二醇改性（PET-G）、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯（ASA）等，因此制造出的樂(lè)器更加輕便，便于攜帶和運(yùn)輸。這對(duì)于需要經(jīng)常移動(dòng)或長(zhǎng)時(shí)間演奏的音樂(lè)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的考量因素。

其最優(yōu)秀的特征在于具有較高的可定制化，這意味著它們可以輕易地被塑造成各種形狀。如在吹嘴的制造過(guò)程中，這一特性使得吹嘴能夠精確地復(fù)制出設(shè)計(jì)師所期望的復(fù)雜形狀和細(xì)節(jié)，從而確保每件構(gòu)件的一致性和精準(zhǔn)度，見(jiàn)圖 4^[4] 。國(guó)內(nèi)考古樂(lè)器的研究也證明了3D打印技術(shù)還可應(yīng)用于考古樂(lè)器的復(fù)原中，但仍需進(jìn)一步深入研究與探索，如圖5[5中的磬。

在樂(lè)器配件領(lǐng)域，3D打印材料發(fā)揮著重要作用。例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)勢(shì)，在鋼琴轉(zhuǎn)擊器的應(yīng)用中表現(xiàn)出靈敏度高、受溫濕度影響小等優(yōu)點(diǎn)，其音響性能雖與木質(zhì)轉(zhuǎn)擊器有差異但可被接受，弦槌柄和弦槌芯的應(yīng)用具有一定可行性但仍存在改進(jìn)空間，見(jiàn)圖6[。

然而，3D打印材料在樂(lè)器制造中的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。比如，3D打印技術(shù)中常見(jiàn)的填充結(jié)構(gòu)，可分為螺旋體（Gyroid）結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格（Grid）結(jié)構(gòu)、立方體（Cubic）結(jié)構(gòu)三種[7]，它的選擇會(huì)影響著最后的樂(lè)器品質(zhì)，導(dǎo)致部分3D打印的樂(lè)器的聲學(xué)性能可能不如傳統(tǒng)材料，在追求音質(zhì)完美的高端樂(lè)器制造中，無(wú)法完全滿足其需求。打印技術(shù)的不成熟也會(huì)導(dǎo)致樂(lè)器部件的精度和質(zhì)量出現(xiàn)偏差，影響樂(lè)器的整體性能。但相信隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問(wèn)題將逐步得到解決。

三、總結(jié)與展望

在樂(lè)器制造中，雖然新型材料的出現(xiàn)帶來(lái)了前所未有的變革與機(jī)遇。但木材和金屬這類(lèi)傳統(tǒng)材料樂(lè)器對(duì)比現(xiàn)在出現(xiàn)的新型材料樂(lè)器在音色表現(xiàn)上更具有優(yōu)勢(shì)，制作共鳴體時(shí)往往能產(chǎn)生良好的共鳴效果。其憑借良好的聲學(xué)性能和歷史文化價(jià)值注定占據(jù)高端市場(chǎng)的行列，經(jīng)驗(yàn)豐富的工匠可以賦予每一件樂(lè)器獨(dú)特的價(jià)值和卓越的品質(zhì)，這類(lèi)樂(lè)器深受專(zhuān)業(yè)演奏者的喜歡。相對(duì)而言，工廠產(chǎn)出的樂(lè)器由于材料本身和各種批量化工藝處理，會(huì)造成同一批次樂(lè)器的個(gè)異化區(qū)別，也會(huì)影響專(zhuān)業(yè)演奏者的選擇。

纖維復(fù)合增強(qiáng)材料以輕量化及強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在樂(lè)器應(yīng)用中可確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)固且輕便。碳纖維聲速極高的特點(diǎn)，可應(yīng)用于一些弦樂(lè)器的共鳴箱或管樂(lè)器的管體制作中，可以傳遞更大的能量；玻璃纖維材料成本低，更適合聲學(xué)要求不那么高的樂(lè)器。這類(lèi)材料在生產(chǎn)過(guò)程中，需要精確控制碳纖維的鋪設(shè)方向、層數(shù)等參數(shù)，通常在具備相應(yīng)技術(shù)能力的工廠中進(jìn)行生產(chǎn)。相對(duì)木材的工廠化生產(chǎn)，這類(lèi)材料的次品產(chǎn)出率處于較低水平，確保了樂(lè)器的同一性，使得這類(lèi)樂(lè)器更適用于進(jìn)階學(xué)習(xí)者和初學(xué)者群體中。

3D打印技術(shù)為樂(lè)器制造開(kāi)辟了新路徑。打印材料本身密度較低，可塑性強(qiáng)，耐候性出色。這類(lèi)材料更多地應(yīng)用在樂(lè)器的配件中，比如樂(lè)器的吹嘴，鋼琴的琴槌。制作則更加便捷，在家中有一臺(tái)3D打印機(jī)便可進(jìn)行操作，但由于打印工藝的問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致部件在聲學(xué)性能上不如纖維材料和木材類(lèi)樂(lè)器。不過(guò)隨著工藝及性能穩(wěn)定性的逐漸發(fā)展，這類(lèi)樂(lè)器也會(huì)在市場(chǎng)中占有一席之地。

新型材料以其獨(dú)特的屬性影響著樂(lè)器的材料選擇，雖然其在音色的豐滿程度上不如傳統(tǒng)材料，但其輕便與穩(wěn)定的性質(zhì)也會(huì)是入門(mén)和進(jìn)階演奏者的優(yōu)先選擇?？萍及l(fā)展也為樂(lè)器材料的聲學(xué)性能優(yōu)化提供了新的可能，通過(guò)AI輔助建模軟件，可以預(yù)測(cè)不同材料組合對(duì)樂(lè)器音質(zhì)的影響，縮短研發(fā)周期，提高材料創(chuàng)新的效率。樂(lè)器制作也將會(huì)進(jìn)入一個(gè)以技術(shù)為驅(qū)動(dòng)，以消費(fèi)者為導(dǎo)向的新時(shí)代，新型材料也會(huì)在其中發(fā)光發(fā)熱。

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作者簡(jiǎn)介：閆宏曄，沈陽(yáng)音樂(lè)學(xué)院2024級(jí)音樂(lè)音響分析研究生