碳纖維面板在原聲吉他應(yīng)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(wěn)定性與所用材料密切相關(guān)。傳統(tǒng)原聲吉他的面板多采用云杉、紅松等木材，雖然具有獨(dú)特的共鳴效果，但容易因濕度和溫度變化而出現(xiàn)變形或音質(zhì)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(yīng)用于航空、汽車等領(lǐng)域，其在樂器制造中的潛力亦引起關(guān)注。

已有研究和部分工業(yè)實(shí)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(shí)驗(yàn)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(zhì)材料在剛性上的差異，可能導(dǎo)致兩者在聲學(xué)表現(xiàn)上的顯著不同。因此，系統(tǒng)研究碳纖維面板在原聲吉他中的應(yīng)用，不僅有助于改進(jìn)吉他制造工藝，也能為新型復(fù)合材料樂器的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

本文以一款標(biāo)準(zhǔn)D型木質(zhì)原聲吉他為基礎(chǔ)，通過改裝面板為不同參數(shù)的碳纖維材料，開展了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及聲學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究。下文將詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)所用材料、方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論，并對未來改進(jìn)方向進(jìn)行展望。

二、實(shí)驗(yàn)材料與方法

（一）材料與設(shè)備

為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，選用一款傳統(tǒng)D型吉他作為實(shí)驗(yàn)樣品，僅更換面板材料，其余部件保持不變。

1.面板材料：本實(shí)驗(yàn)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(cè)板仍使用傳統(tǒng)木質(zhì)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(dá)達(dá)里奧EJ11黃銅琴弦（規(guī)格12-53）。

3.粘接工藝：粘接采用環(huán)氧樹脂AB膠，保證碳纖維面板與木質(zhì)結(jié)構(gòu)之間形成穩(wěn)定牢固的粘接界面。

4.設(shè)備：數(shù)控切割機(jī)用于精密切割碳纖維板；博世電鉆和電磨機(jī)輔助完成邊緣修整和孔槽加工；聲學(xué)測試采用電容麥克風(fēng)采集信號。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為系統(tǒng)評估碳纖維面板對吉他性能的影響，本文將實(shí)驗(yàn)分為兩部分：

-108- Musical Instrument Magazine

1.實(shí)驗(yàn)一（Test 1）

使用2mm厚交叉紋路碳纖維面板對吉他進(jìn)行改裝，主要考察裝配工藝、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及在標(biāo)準(zhǔn)琴弦張力作用下的機(jī)械表現(xiàn)，同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)對比不同編織方式在抗變形性能和高頻響應(yīng)上的差異，并結(jié)合頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合討論。

（三）測試方法

1.裝配工藝

首先，利用熱風(fēng)槍對原有木質(zhì)面板與側(cè)板、琴頸接合處進(jìn)行預(yù)熱，使原膠水軟化后拆除原面板。根據(jù)吉他原面板尺寸繪制圖紙后，借助數(shù)控切割機(jī)精準(zhǔn)加工出碳纖維面板。在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留額外2mm邊緣，粘接后再經(jīng)修整切割至標(biāo)準(zhǔn)尺寸。使用環(huán)氧樹脂AB膠將碳纖維面板與木質(zhì)背側(cè)板對齊粘接，并利用專用夾具固定24小時(shí)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(jié)構(gòu)的精度與穩(wěn)定性。

2.聲學(xué)測試

在安靜環(huán)境中采用電容麥克風(fēng)采集吉他空弦信號，經(jīng)音頻接口輸入計(jì)算機(jī)后得到電平曲線，編程對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成頻譜-時(shí)間圖。測試指標(biāo)包括基頻、各泛音峰值及其衰減時(shí)間。通過與改裝前數(shù)據(jù)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(xué)測試現(xiàn)場示意圖。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

實(shí)驗(yàn)一結(jié)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(cè)板之間粘接牢固，經(jīng)長時(shí)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(xiàn)側(cè)板輕微變形，但整體裝配誤差均控制在允許范圍內(nèi)，可滿足演奏要求。實(shí)驗(yàn)二中，盡管1.5mm厚面板在部分區(qū)域出現(xiàn)輕微變形，但經(jīng)過修整后依然能夠穩(wěn)定支撐琴弦，表明碳纖維面板具備較高的抗彎能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（二）聲學(xué)性能分析

1.實(shí)驗(yàn)一聲學(xué)性能分析

圖2為2mm交叉紋路碳纖維面板/木質(zhì)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(xiàn)各有特點(diǎn)。在低音弦（5弦與6弦）上，其表現(xiàn)較為均衡，基頻和第一泛音的電平峰值達(dá)到最高值，而在第二泛音之后，各個(gè)電平峰值保持在一個(gè)較為平穩(wěn)的范圍內(nèi)；在高頻區(qū)（2kHz以上），低音弦的泛音表現(xiàn)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(zhì)面板展現(xiàn)出不同的音色特點(diǎn)，在不同的泛音區(qū)各有高低，但整體上木質(zhì)面板的泛音表現(xiàn)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(xiàn)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(qū)出現(xiàn)了明顯的凹陷，且在高頻區(qū)的泛音上表現(xiàn)出更弱的電平峰值，導(dǎo)致在聽感上，1弦與2弦顯得細(xì)節(jié)不足且高頻單薄。

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

2.實(shí)驗(yàn)二聲學(xué)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(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)除因弦距原因外，兩種面板在部分頻段表現(xiàn)存在差異。交叉紋路面板整體高頻響應(yīng)略顯充足，而單向紋路面板在部分高頻段表現(xiàn)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(shí)驗(yàn)綜合分析

兩次實(shí)驗(yàn)顯示，幾種碳纖維用作吉他面板時(shí)，其衰減特性較為接近。在衰減至環(huán)境噪音聲壓級的時(shí)間長度上，低音弦的衰減時(shí)長接近14秒，這表明碳纖維面板在吉他上能夠提供相當(dāng)出色的延音效果。值得注意的是，對于1.5m厚度的碳纖維復(fù)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(fā)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(fù)材面板在這些頻段上無法產(chǎn)生良好的共振效果。然而，在中頻段（約 300Hz800Hz ），碳纖維復(fù)材面板則能夠?qū)崿F(xiàn)較長的衰減時(shí)長，最長可達(dá)14秒左右，使得吉他在該頻段上表現(xiàn)出充沛的延音特性。

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

四、討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維面板在原聲吉他應(yīng)用中具有一定優(yōu)勢，尤其在中、低頻共振和延音效果上較傳統(tǒng)木質(zhì)面板有明顯提升。然而，高頻響應(yīng)不足仍是一個(gè)需要克服的問題?？赡茉虬ú牧媳旧淼母邉傂院驼辰庸に噷φ駝?dòng)傳遞的影響。為改善這一問題，未來的研究可考慮以下幾點(diǎn)：

1.面板厚度優(yōu)化：在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)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(jìn)：進(jìn)一步研究不同編織結(jié)構(gòu)對振動(dòng)特性的影響，探索更適合音色傳遞的工藝。

3.內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)和粘接工藝優(yōu)化：木質(zhì)吉他面板通常采用“傳統(tǒng)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(dòng)，而環(huán)氧樹脂較硬，可能導(dǎo)致局部剛性增大，抑制高頻振動(dòng)，可以探索引入交叉音梁或其他內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，粘接時(shí)采用模具固定或改進(jìn)夾具設(shè)計(jì)，提升整體裝配精度，以改善整體共振效應(yīng)和高頻能量分布。

通過以上改進(jìn)措施，有望在保持中、低頻優(yōu)勢的同時(shí)，進(jìn)一步提升高頻響應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)音色與現(xiàn)代復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)的有機(jī)結(jié)合。

五、結(jié)論

本文通過對改裝原聲吉他的實(shí)驗(yàn)研究，得出以下主要結(jié)論：

1.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：碳纖維面板通過環(huán)氧樹脂粘接工藝與木質(zhì)背側(cè)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 2mm 厚交叉紋路面板表現(xiàn)尤為突出。2.中、低頻優(yōu)勢：碳纖維面板在中、低頻區(qū)域，尤其在 400～2000Hz 區(qū)域內(nèi)具備良好的共振和延音效果，音色表現(xiàn)更為飽滿。3.高頻不足： 2kHz 以上頻段泛音衰減較快，高頻響應(yīng)仍顯不足，提示碳纖維材料高剛性可能限制了高頻振動(dòng)能量的傳遞。4.工藝參數(shù)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(xiàn)相對較好，未來設(shè)計(jì)可針對這一點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

總體來說，碳纖維面板作為原聲吉他面板具有廣闊應(yīng)用前景，但在實(shí)際應(yīng)用中需綜合考慮材料參數(shù)、粘接工藝和內(nèi)部支撐設(shè)計(jì)等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的音色和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

作者單位：長沙幻音科技有限公司