09年强贴连载－－ 工程技术和吉他（第一部分）
注：本连载转载与：http://www.home.agilent.com/agilent/editorial.jspx?cc=CN&lc=chi&ckey=866697&nid=-35125.0.00&id=866697工程技术和吉他（第一部分）
在本系列文章中，我们将通过大家所熟悉的事物——原声吉他，来揭开一些工程术语的神秘面纱。
观察您是否曾经在郊外远足时，只顾赶路而忽略了沿途的风景，而同伴却发现天空中翱翔的金雕？当您把注意力转向天空时，您同样也会看到那些金雕、苍鹰、和别的鸟儿。不是它们以前不存在，也不是您的同伴比您更善于发现野生生物（不要沮丧…也许他正在为找不到车钥匙而发愁。），而是您以前没有注意罢了。
在工科学校里，您要从观察学起——观察一切事物：桥梁、船舶、视频游戏、汽车和无线电天线。作为工程师，我们要用评判的目光观察事物，并且不断的问自己：“他们是怎样做到的？”或者“多么完美的设计！但是我可以做的更好。”只要简单地观察周围的世界，有时甚至是我们自身，我们就可以学习到许多工程原理。吉他就是一个很好的例子。
学习吉他并观看乐手弹奏吉他。吉他涉及到许多工程原理，如：共振频率、周期、振幅、失真、谐波、波长、压力和张力、弹性极限、调幅、调频、阻尼系数、多普勒效应、阶跃响应、共轭振动、快速傅立叶变换以及信号处理等等。让我们来讨论一下这些参数，看看我们能从简单的原声吉他中学到什么知识。
工程技术要点：观察、再观察。对任何事情都要提出疑问。寻找每件事情的更好的解决方法…这是成功的发明家的一个最基本的特征。
共振频率
材料共振。实际上，任何物体——从桌子到组成我们身体的分子、再到我们脚下的地质板块——都有自己的共振频率。拨动吉他琴弦，琴弦就会以固有的共振频率前后振动。除非琴弦的长度或张力发生改变，否则每一次振动的情况都是相同的。
琴弦是一个弹簧。当张力作用于琴弦的纵轴方向上时，它被拉伸。您可以转动弦栓，来改变琴弦的张力，给吉他调音。如果吉他发出刺耳的尖锐声，这可能是因为您把琴弦拉伸得超过了它的弹性极限。琴弦的张力也会随着时间或温度变化而发生改变。
当拨动琴弦的时候，有两个“节点”分别位于弦的两端（琴枕和琴桥）。在节点处，琴弦被固定不动。在这两个节点之间，琴弦可以自然振动，特别是在节点间的中点处振幅最大。
http://cp.home.agilent.com/upload/cmc_upload/p1fig1.gif
Engineering and the Guitar (Part I) Figure 1
图1.琴弦被两个节点固定：“琴枕”（左边）和“琴桥”（右边）。如图所示，拨动“A”弦，“A”弦会发生振动。如果是调好音的吉他，则“A”弦的振动频率为440Hz。
如果您仔细观察吉他的琴弦，您会发现它们的直径各不相同。从高音“E”弦（最细）到低音“E”弦（最粗），琴弦直径逐渐加粗。我们可以据此假想出一个弹簧模型。
工程模型
无论什么时候您要学习工程现象，您都需建立要某种类型的模型。例如，如果您按照在静力学课上学过的过程，您可能会画一个图，用固定在两个基准“节点”之间的线来表示吉他的琴弦：（图2）
http://cp.home.agilent.com/upload/cmc_upload/p1fig2.gif
Engineering and the Guitar (Part 1) Figure 2
图2.固定在琴枕和琴桥之间的吉他琴弦的两个示意图。乐手拨动琴弦引发振动。当她/他松开琴弦，琴弦最终达到其正常振动模式。（注：如果上述两个基准点看起来不垂直，那只是视觉错觉。）
这只是对模型的一次尝试。当然在真实的吉他上，琴桥不是完全静止的。在弹奏吉他的时候，随着琴弦的张力增大或减小，琴桥会轻微的颤动。在如图所示的“理想”情况下，端点固定不动。但是那只是工程上的近似。在现实生活中，建立这样的基准点是不可能的。对于机械设备来说，这是不真实的。当我们尝试以电气工程学原理建立电路模型时，我们会遇到相同的问题。
例如，电气工程师使用术语“接地”（或“低电平”、“公共端”）来表示零电压点。但是，只要电路中有电流，导线中有电阻，就一定有压降。因此，在地线中不存在电压均为“零”的两个点。头发斑白的老仪器工程师喜欢说：“没有所谓的接地。”
但这并不意味着工程模型没有用——我们只是要确保近似能足够地接近真实情况，以使分析有意义。通过对琴弦的观察，我们可以试着改进我们的模型。由于较粗的琴弦振动较慢，所以琴弦的粗细很可能对振动频率有影响。我们知道琴弦就像弹簧一样因张力而运动。因此，我们试试另外一个更精确的模型：
http://cp.home.agilent.com/upload/cmc_upload/p1fig3.gif
Engineering and the Guitar (Part I) Figure 3
图3.用一组弹簧来模拟吉他琴弦，质量在中间。随着弹簧上的质量增加，振动频率变慢。
这只是一个近似，并不完全与真实情况相同。我们知道琴弦的重量不是在一个点上，而是分布在整根琴弦上。我们可以把琴弦看作是一系列的弹簧和一系列的重量。这就是所谓的分布式系统。但是对现在来说这个近似就足够了。让我们来讨论吉他发出的“信号”。
工程技术要点：分析和建立模型一样重要。尽量把您的模型做的与真实接近，但是要学会识别那些可以忽略的部分。成功的工程师一般不会花上几年的时间去做一个完美的模型——他们把模型做的尽可能的接近现实，然后再开始设计。
频率分量
拨动吉他上的“A”弦，听它的声音。是纯音调吗？如果您用麦克风测量这个声音并把它显示到频谱分析仪或示波器上，您会发现吉他产生许多不是440Hz频率的音调。该信号充满了其他的声音或频率分量。这是因为吉他的琴弦把能量传送到整个吉他“系统”上。首先，琴弦带动琴桥运动，琴桥又使吉他的面板运动。面板是大部分能量的目的地。但是面板不是吉他上唯一影响声音的部分。面板运动时，它引起其他琴弦以它们的固有共振频率轻微的振动（耦合振动）。并且吉他面板，背板和侧板一起颤动并相互影响来增加混音。这些其他声源的振幅小于440Hz主信号的振幅，但是它们对原声吉他“丰富的”声音是有贡献的。只产生完美的、标准正弦波的吉他，其声音会十分单调。
http://cp.home.agilent.com/upload/cmc_upload/p1fig4.gif
Engineering and the Guitar (Part 1) Figure 4
图4.通过麦克风将音叉信号转换成电压波形，在示波器上的图形如图所示。如果音叉被调到“A”音，示波器显示一个频率为440Hz的信号，其周期为： T= 1/440 = 2.273 ms
在图4中，频率为440Hz。也就是说，琴弦每秒钟完成440次振动（从一边到另一边再返回为一次振动）。周期为1/f = 1/440秒，或2.273毫秒。如果我们用X表示最大振幅（位于正弦波的顶端），则数学描述为： v(t) = X* sin 2 pi * 440 t
改变频率
您不一定非要从一个工程师的角度来认识，如果您把琴弦按压到指板上的任意一个音格上，然后拨动琴弦，您就可以弹奏一个音符。沿着整个指板这样做，您就可以弹奏全部音阶。移动按压琴弦的位置来改变琴弦的振动频率。*所以不是只有琴弦的张力能够改变声音——琴弦的长度变化也会改变声音。
专业吉他手（可以弹奏整个指板上的音阶）会发现响度（振幅）的改变。对于技艺精湛的吉他制造者来说，要使吉他整个范围内的音符都同样“动听”，没有死节点或异常声音节点，这的确是一个很大的挑战。
http://cp.home.agilent.com/upload/cmc_upload/p1fig5.gif
Engineering and the Guitar (Part 1) Figure 5
图5.与电吉他不同，原声吉他本身就包含了大部分的声音“系统”。改变听众所听到的声音是很困难的，因为吉他的琴身和琴弦决定了声音的特征。
吉他自身就是一个完整的声音系统。像“音箱”一样，它也有频率响应。吉他只能在有限频率范围内保持声音的“真实”，所以要对吉他进行优化来保证琴弦产生的频率在此范围内。吉他还扮演带通滤器的角色，它能够将不同能量传递到频谱的不同部分。放大、过滤、信号产生以及音调控制等处理都位于乐器内部。
无数的变量
不难想象，在这个系统中有各种各样的变量：音箱空气容量、音孔大小、面板厚度、木材类型、湿度、琴撑、群集大小、空间大小、地面覆盖物、手位及其他参数。工程师要对每个参数进行分析，以优化听众的体验。也许您可以想出改进“系统”的方法。
第一部分
©2001
安捷伦科技
注：工程师所说的“频率”，音乐家称之为“音调”。
[ 本帖最后由 吉他才鸟 于 2009-1-1 14:07 编辑 ] 真专业，物理问题 确实是强帖 呵呵 鸟兄 总能找到 很有价值的资料 但看起来会有点晕~很专业
“裸谢”鸟兄 珍贵的资料~~~谢谢鸟兄！！ 强烈建议看一遍！
这些原理都不复杂，初中知识即可解释清楚，非常有用哦
回复 1# 吉他才鸟 的帖子
才鸟回家了!!!牛年 牛帖
汤米的Center Stage DVD下到没有俺做的种！
咖啡馆做的怎么样了 Tommy那张DVD我重新下了，终于在今天下午全部下完……感谢上帝…… 鸟鸟09年第一帖~顶 原帖由 segame 于 2009-1-1 20:14 发表 http://bbs.guitarschina.com/images/common/back.gif
才鸟回家了!!!
牛年 牛帖
汤米的Center Stage DVD下到没有俺做的种！
咖啡馆做的怎么样了
晕～～我没看到...... 才鸟的帖....还是先顶后看吧 OH ......这文章让我想起了以前干老本行时的辛苦日子。
以这样严谨的态度来剖析吉他，真是够强！ 安捷伦怎么研究起吉他来了 顶一哈 拿一个 这样的帖子必须顶起 看不大懂,可能懂了就已经到一种很高的境界了... 哈哈还是安捷伦的 期待后续！喜欢专业研究！ 好！好！！好！！！ 恩，不错，长知识了。值得多看几遍 期待第二部分 牛人~~~！！ 不顶不行啊！ 必须支持一下呵呵，普及知识啊 呵呵~做吉他的不知道会不会研究这个》？
页:
[1]