声学振动分析

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小提琴振动机理及声学品质研究

作者：刘颖

来源：《神州·上旬刊》2017年第10期

摘要：小提琴是众多乐器中的组成部分，其发生的原理是琴弦的振动，因此振动与小提琴的声学品质有着密切的关系。基于此，本文将分析小提琴的振动机理的模型，深入探究影响小提琴音色的因素并提出改善声学品质的措施，旨在提高小提琴质量，为听众演奏出更加美妙动人的曲目，并为建立振动模型试验提供依据。

关键词：小提琴；振动机理；声学品质

前言：

小提琴属于弓弦乐器，被称为“乐器王后”，由于小提琴具有丰富的表现力、高度的演奏技巧，因此在管弦乐团中具有重要的地位与价值。为了能够提高小提琴的音质，很多学者基于振动机理对其进行深入的研究，并且建立了各样的振动模型、探寻了多种实验方法。通过学界与音乐界的不懈努力，总结出了制造优质小提琴的规律，极大的提高了小提琴的声学品质。

1.小提琴振动机理分析

1.1确定性与统计模型

在小提琴的动态响应中，分为确定区域、统计区域，其中确定区域属于小提琴的低频范围，此时的频率很容易被分割，以此来开展分析工作。反之，统计区域则属于小提琴的高频区域，其统计的内容仅仅包含频域，在该区域中，具有明显的模型重叠效果，所以在模型跟踪方面具有一定的难度。在划分确定区域与统计区域时，是根据600-750Hz的区间内通过波谷来划分的，保障两个区域划分的准确性。

确定区域是低于600Hz音域的范围，包括五个不同的模态信号，其中有三个体模态：频率为fB1-≈470Hz的体弯曲模态B1-、频率为fB1+≈540Hz的体弯曲模态B1+、接近400Hz的CBR；两个耦合最低空气共振模态A0，其频率约等于275Hz、A1的频率约等于456Hz。另外，在琴码在固定区域中的摇摆类似于一个刚体，而在统计区域中，琴码头部等摆动与琴码脚则相对平稳。如果振动的频率超过1200Hz，小提琴的振动就会脱离空气的流动，主要依靠创建声音的机制来传递声音。

repPPLlg200cwSWI0lg10IILp0lg10WWLwAbaqus 声学分析

Airmage

1. 要点

1) 基本物理量

2) 实例模型说明

3) 材料属性设定

4) 求解类型设定

5) 边界条件设定

6) 载荷和声源

7) 网格划分

8) 结果后处理

2. 基本物理量

1) 声压

设气体的初始压强为P0，受到声扰动后，压强为P0+P。则这个压强改变量就称为声压，单位为Pa，一般取其有效值。

2) 声压级

声压级（Sound Pressure Level）定义为声压得有效值与基准声压的有效值之比的常用对数20倍，（取分贝单位），即

式中，Pe是测量声压，Pr是参考声压，Pr通常取2×10-5 Pa，它是人耳对1kHz空气声所能感觉到的最低声音的声压。

3) 声强

声强（Sound Intensity）是指在垂直于传播方向上单位面积上通过的平均声能量流，即

4) 声强级

声强级（Sound Intensity Level）定义为声强和参考声强之比的常用对数的10倍，即

式中，基准声强I0取10-12 W/m2为可听最小声强。

5) 声功率级

声功率级（Sound Power Level）定义为声功率与基准声功率之比的常用对数的10倍，即

式中，基准声功率W0取10-12 W。 3. 实例模型说明

我们用下面的模型来说明分析流程

4. 材料属性设定

Abaqus中模拟声音传播的材料需要的物性参数为两个，Density和Acoustic Medium，分别输入密度和体积模量（因为声波是纵波），如下图：

这里输入了空气的材料性能。在Abaqus中声速公式统一用/k来计算，这本就是液体的声速公式。密度没什么问题，关键是体积模量k。对于气体中的声速/rP，就有rPk，P是压强，r为绝热系数，如该气体可认为是理想气体，则其绝热系数r就是定压比热容与定容比热容之比，即vpCCr/；固体中声速的计算公式为)21)(1()1(EL，于是就有)21)(1()1(Ek，是泊松比。

振动及振动噪声的信号分析

[摘 要]工程车辆在转向时助力转向系统发出异响产生噪声，会严重影响驾驶员舒适性。本文针对某助力转向系统的振动及产生的噪声进行分析研究。

[关键词]助力转向系统；振动；噪声

中图分类号：th 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）11-0276-02

1 总述

目前我国工程机械进入了快速发展阶段，人们在对工程机械性能提出更高要求同时，对其舒适性也提出了更高的需求，因此车辆振动噪声的研究也显得至关重要。车上距离驾驶员最近的噪声源之一就是助力转向系统，若它在转向时发出异响，驾驶员的乘坐舒适性将会受到严重影响，鉴于此，本文针对某助力转向系统产生的振动噪声进行分析研究。

2 共振频率对系统稳定性的影响分析

运用振动理论通过对助力转向系统的粘性阻尼系统的振型分析，可以得到该阵型的开环系统bode图，如图1所示。

由于该系统是欠阻尼系统，所以在共振频率附近出现了共振，从图1可以看到bode上出现了一个很高的共振峰。模态阻尼比大小会影响共振峰的高低，阻尼比越大，共振峰越低。模态阻尼比受阻尼系数变化的影响，如图2所示。

从图中我们可以得到，在有限范围内，模态阻尼比随阻尼的增大而增大，但不会超过0.04，故助力转向系统表现为小阻尼特性。

由图1知，在低频共振频率附近，相角滞后非常明显。当采用pi控制的电流环时，开环系统的bode图受被控对象共振的影响，进而会影响系统稳定性。我们可以通过相位补偿对开环系统bode图校正解决。

3 振动噪声测试分析

3.1 振动噪声测试仪器的选择及特性

（1）加速度传感器的选择

本测试系统采用压电式加速度传感器，它具有工作频带宽、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、不易损坏等优点。其特性参数如下：

yd一12加速度传感器

①电荷灵敏度大；

②最大横向灵敏度比：1.7%；

③谐振频率：28khz，峰值32db

④工作温度：-40～+80℃

⑤最大可测加速度：2000m/s-2

振动分析

振动分析是计算机辅助工程学中的一个重要技术。它主要是通过对系统所发生的振动进行分析和计算，得出相应的特征参数，并在此基础上提出有效的控制方法，以达到科学、合理地设计、维护和控制各种工程设备的目的。本文将从振动分析的原理、分类、应用及其在各个领域的研究与探索等方面进行详细的解读。

一、振动分析的基本原理

1.振动的概念

振动是物体围绕着平衡位置做规则周期性的运动，同时这个运动方式又使得它们之间施加相应的作用力，进而导致物体发出声音、震动等现象。换句话说，物体在空间中不断地发生快速反复的运动，这种运动方式被称之为振动。

2.振动的种类

振动分为自由振动和强迫振动两种类型，其中自由振动是指的物体自身发生的无外力作用的振动；而强迫振动是指作用在物体上的外力作用下所产生的振动。这里我们主要讲述的是自由振动，因为强迫振动需要采用不同的计算方法。

3.振动的分类

根据振动的形式和性质特征，振动可以分成多种类型，如：

（1）简谐振动：物体在周期内运动速度、加速度大小及方向都是相同的。

（2）非简谐振动：物体在周期内运动速度、加速度大小及方向都会变化。

（3）阻尼振动：物体进行振动时受到来自周围环境的阻力作用。

（4）无阻尼振动：物体进行振动时不受任何阻力作用。

（5）共振：外力频率与机构本身固有振动频率一致，便容易引起共振现象。

二、振动分析的分类

根据振动分析的对象和方法不同，可将其分为以下几种类型：

1.结构振动分析：主要研究结构物在外部激励下的应力响应及其变形等信息。其主要应用于大型工程的设计、优化、调试等过程中，以判断各组件间的相互影响，并找出问题所在，进而提高整个结构系统的安全性、稳定性和耐久性等方面的指标。

2.机械振动分析：主要研究与机械有关的各种振动问题。在制造和运行机械设备时，借助于振动分析手段可以有效地寻找故障出现的原因，并及时采取相应的维修措施，以确保机械的正常运转。

3.流体振动分析：主要研究流体中所发生的各种形式的振动问题。通过对粘性、不可压缩流体及其他一些流体模型做出详细分析，找出反映流体动态特性的参数，并根据这些参数进行系统的优化设计和控制，从而提高流体系统的效率及其安全性等方面的指标。