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研究生: 馬宜聖
Yi-sheng Ma
論文名稱: 以數值模擬改善二胡之音色
The Improvement of an Erhu’s Timbre Using Numerical Simulation
指導教授: 徐茂濱
Mau-Pin Hsu
口試委員: 楊條和
Tyau-Her Young
林昱廷
Yu-ting Lin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 151
中文關鍵詞: 二胡樂音指標有限元素分析邊界元素分析聲音品質穿透力亮度
外文關鍵詞: erhu, timbre, sound quality index, finite element analysis, boundary element analysis, stuffiness, penetration, brightness
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  • 二胡是中國文化的傳統民族樂器,但海峽兩岸迄今對於二胡的改良尚乏以嚴謹的科學方法來改良二胡,大部分係以傳統之主觀判斷方式以及嘗試錯誤法來進行修改,因此有時會受阻於錯誤的推論或經驗的失傳等因素,而對於製琴技藝的提升仍有窒礙。

    故本論文目的以有限元素法與邊界元素法模擬二胡琴體之結構與空腔的振動,並經由先前所建立的樂音指標來探討琴皮之各項參數(張力、厚度以及密度等)與琴筒空腔內的各參數(小琴筒長度、直徑與位置等)對二胡音色的影響。

    本文利用Pro/E建立二胡幾何模型,並以有限元素分析軟體MSC Nastran模擬二胡結構動態分析,此部份數值模型皆以模態測試結果或理論值逐步進行調校,以確保其正確性。再將此結果匯入邊界元素軟體LMS Virtual Lab分析琴皮與空氣間相互作用後的聲功率頻譜,進而根據已建立的悶、穿透力以及亮度指標,分別探討小琴筒與琴皮參數的影響。從模擬結果得知,小琴筒之長度、直徑以及位置對不同的指標各有影響,可根據二胡對音色之不同需求加以調整,而在本研究之模擬範圍內,降低琴皮之張力、增加其密度或厚度皆可使得此把二胡較不悶並增加其穿透力與亮度。建立此分析方法將可幫助了解二胡之各參數對其聲音品質之影響,進而達到改良二胡的目標。


    Erhu is a traditional Chinese music instrument, but researchers, either from mainland China or from Taiwan, have yet proposed a scientific and well-integrated method for improving this cultural heritage. Most of the adjustment made on erhu relies heavily upon traditional subjective methods or the trial-and-error approach. Consequently, erhu making skills are hindered by either erroneous inferences or lost of experiences.

    The purpose of this study is to adopt the finite element and the boundary element approaches to simulate the structure of erhu and the vibration at its cavity. The authors applied the previously established sound quality index to discuss the effect of erhu skin parameters, including tension, thickness and density, and erhu tube cavity parameters, including length of the small tube, diameter, and location, on the timbre of erhu.

    This study adopted Pro/E to construct an erhu geometric model and used finite element analysis software MSC Nastran to simulate erhu’s structural dynamics. For accuracy, the numerical model was adjusted according to the results of model testing or the theoretical values. The obtained data were imported into boundary element software LMS Virtual Lab for analyzing the acoustic power spectrum after the interaction between the erhu skin and air. Afterward, the authors discussed the effects of erhu’s small tube and skin parameters based on the established stuffiness, penetration, and brightness indices. Our simulating data suggest that the length, diameter and location of small tube each has its specific impact on the indices, and thus the timbre of erhu can be adjusted according to the needs. Within the scope of simulation, this study has found that by reducing the tension or increasing the density or thickness of erhu skin, stuffiness can be reduced while penetration and brightness of the timbre of erhu can be increased. This established method can be used for understanding the effects of assorted parameters of erhu on the acoustic quality and for further improving this instrument.

    摘要 I Abstract II 致 謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2研究動機與目的 2 1-3文獻回顧與整理 3 1-4本文架構 6 第二章 二胡有限元素模型建立 7 2-1二胡簡介 7 2-2線性與非線性有限元素分析 11 2-2-1線性分析(Linear Analysis) 12 2-2-2非線性分析(Nonlinear Analysis) 13 2-3琴筒有限元素模型 15 2-3-1木材力學性質 15 2-3-2等向性、非等向性、正交性材料 17 2-3-3琴筒材料參數 19 2-3-4琴筒模態分析 20 2-3-5元素收斂性分析 22 2-4二胡琴弦的模型建立與理論值比對 23 2-5二胡琴皮的模型建立與理論值比對 26 2-5-1 正方形預應力分析 26 2-5-2 正六邊形琴皮預應力分析 29 第三章 以實驗調校有限元素模型 32 3-1實驗儀器的介紹 32 3-2千金邊界條件的建立 34 3-3木頭有限元素模型 36 3-4以模態測試調校琴筒之材料參數 42 3-5琴皮材料參數實驗 50 3-6以模態測試調校琴皮+琴筒之材料參數 56 3-7以模態測試比對琴筒+琴皮+琴碼之材料參數 62 3-8以模態測試調校琴筒+琴皮+琴碼+琴弦之參數 66 第四章 以邊界元素分析探討二胡音色 70 4-1 邊界元素法分析 70 4-1-1邊界元素法分析方法 70 4-1-2耦合與非耦合分析之差別 72 4-1-3薄膜與空腔耦合後頻率變化 78 4-2空腔有開口端之耦合分析 88 4-3設計適當尺寸的小琴筒以改善二胡音色 100 4-3-1小琴筒長度對二胡樂音指標之影響 103 4-3-2小琴筒直徑對二胡樂音指標之影響 105 4-3-3小琴筒距離琴皮位置對二胡樂音指標之影響 107 4-3-4設計適當尺寸的小琴筒 109 4-4二胡參數對其樂音指標之影響 111 4-4-1小琴筒對二胡樂音指標的影響 113 4-4-2琴皮之張力對二胡樂音指標的影響 116 4-4-3琴皮之密度對二胡樂音指標的影響 119 4-4-4琴皮厚度對二胡樂音指標之影響 122 4-4-5琴筒形狀對二胡樂音指標之影響 125 第五章 結論與建議 129 5-1結論 129 5-2對未來方向的建議 131 參考文獻 133 作者簡介 136

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    無法下載圖示 全文公開日期 2016/08/08 (校內網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
    全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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