沈阳音乐学院乐器工艺系  秦敏静 李子晋
随着科技日新月异的发展，乐器的制造已经不再局限于传统的手工操作，而更大程度上依靠科技手段，乐器制造这门学科已经是声学、力学、数学、电子学等自然科学和艺术等人文科学的结合。本文就现代乐器制造过程中常用的测量技术、分析技术及制造技术进行阐述。
众所周知，制造一件好的乐器必须要考虑很多诸如材料的物理参数、声学参数、几何形状等问题。传统的乐器制造工艺多半为手工操作，随着人们生活水平和对音乐认识的提高，对高档乐器的需求量也日益增大，但是传统的手工工艺不再适合大批量的乐器生产。
近些年随着电子技术和计算机技术的发展和普及，各行各业的自动化程度也随之提高。乐器制造工业的量化逐渐由传统的手工业向电子测量和数控加工方向迈进。
一、测量技术：
传统的测量方法对材料本身的物理参数如密度、质量、刚性等的测量都存在着精度不高等问题。而利用现在的电子技术则可以实现比较精确的测量。甚至利用CT-Xray技术可以对木材的内部，如纤维结构，密度均匀度等参数进行测量分析。下图为利用CT扫描技术分析Nicolo Amati小提琴的CT照片。

声学参数就更是如此，传统方法测量如共振频率、波形、基音、泛音等参数一般都是采用“听”的办法或者使用一些简单的电子仪器，如示波器、频谱仪、频率计、声级计等。这些设备往往造价比较高，且不能反映瞬态的信号，如利用示波器测量钢琴的某个音，钢琴的声音是随着击键的变化而变化的，这种变化速度比较快，而示波器是反映实时情况的，也就是在我们还没有看清楚波形变化时，这个声音的信号就有可能消失了，因此，如果我们希望得到两个声音波形的对比就更加困难。
利用计算机虚拟仪器进行分析，上述的这些问题很容易就得到解决。因为计算机是采用软件技术对信号进行处理和分析，可以实现对信号的储存、标记、自动对比等功能。如果是比较两个相同乐器的音色，也就是比较基因、泛音和谐波等情况，通过计算机的FFT分析软件，很直观的就可以得出比较的结果。这样，音色的差异就被量化了。下面我们就一个具体的例子来说明一下，用一个普通的立式钢琴和三角钢琴分别敲击小字组c键作比较。（使用的软件是美国Sound Technology公司的SpectraLAB-FFT Spectral Analysis System.）


 
可以看出两种钢琴发出的声音，其基音的频率是相同的，但是泛音结构是不同的，从而指导于乐器制造中。
在乐器制造中，乐器或乐器的零部件的几何形状也是决定乐器性能的一个关键问题。传统方式多半使用卡尺手工进行测量，测量精度不高。如提琴音板这样的表面曲线变化比较复杂的乐器和钢琴音板这样大型的乐器零部件，测量起来就更为困难。因为手工测量只能测量某个点的厚度或其他几何参数，而对于曲面的变化，钢琴音板的平整度就很难进行测量。
现代工业中有很多对物体几何形状的测量办法，如超声波测厚技术，激光位移测量技术等。利用激光位移技术对三维实体进行非接触几何外形扫描，其精度可以达到1um。这个精度足以满足在乐器仿型方面的测量要求。下图为RS50激光位移三座标测量机


二、       分析技术
在乐器制造中，对乐器本身的振动模式的分析是至关重要的。近代对乐器振动模式的分析主要有激光全息分析技术和有限元分析技术。
激光全息技术
激光全息技术是利用激光的干涉原理对乐器本身的振动进行分析的一种手段。所谓干涉现象是指周期性或规则性的两个波相叠加的现象。利用这种方法可以检测到极其细微的位移现象，从而检测出乐器的振动模式。下图为激光全息分析系统：

有限元技术分析
“有限元”这个名词在1965年第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了四十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。其核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，并在乐器制造领域也逐渐得到应用。乐器制造领域有限元技术的特点主要表现在以下几个方面：
l 增加乐器的可靠性；
l 在乐器设计阶段发现潜在的问题
l 经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本
l 缩短乐器设计和制造的时间
l 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验成本
当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成乐器的零部件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。
三、制造技术：
近代，随着计算机的出现机械加工技术也进入了数字化的时代，也就是人们所说的数控技术。利用数控技术可以实现对木质材料外形的加工。这样一来可以大大的提高加工精度和生产率。现在采用数控技术对木质材料加工的设备很多，如：数控三维雕刻机，数控三维立铣等。在计算机中使用如Auto CAD、Unigraphics一类的计算机辅助设计软件，绘制出所要加工的乐器零部件的抛络图，就可以输送到数控加工设备进行加工。
图为数控三维立铣
 
结语：现代科技手段在乐器制造业中的应用大大提高了生产效率和加工精度，在这种生产方式对乐器批量生产起到积极作用的同时，将制造者的个性化的理念融入到乐器制造中便会制造出更加完美的乐器。