传统打击乐器"Erbane"动态特性与声振行为的实验与数值模态分析

本研究通过实验模态分析(EMA)与有限元建模(FEM)相结合的方法，首次系统研究了中东传统框鼓"Erbane"的振动特性。采用冲击锤测试、激光测振仪和声学激励技术，在0-1000Hz范围内精确识别了前6阶模态频率（偏差<8%），建立了经实验验证的数值模型，为传统乐器的声学优化提供了新范式。

　　

在丰富多彩的世界音乐文化中，打击乐器作为最古老的乐器类型之一，承载着不同文明的声学智慧。中东地区特有的传统框鼓"Erbane"，以其独特的音色在民间音乐中占据重要地位。然而令人惊讶的是，尽管现代声学技术已能精确解析西方打击乐如定音鼓的振动特性，但对这类传统乐器的科学认知仍存在巨大空白。乐器制造者往往依赖经验调整膜张力或框架结构，缺乏量化标准；演奏者更难以理解复杂振动模式与音色之间的内在关联。这种认知滞后不仅制约了传统乐器的现代化改良，也使珍贵的声学文化遗产面临失传风险。

针对这一现状，研究人员开展了这项开创性研究。通过整合实验模态分析(Experimental Modal Analysis, EMA)和有限元建模(Finite Element Modeling, FEM)两大技术路线，首次对Erbane的振动特性进行了系统解析。研究团队采用直径40cm的松木框架人造革膜Erbane作为研究对象，在0-800Hz实验频段和0-1000Hz仿真频段内，构建了完整的振动特征图谱。

关键技术方法包括：1) 通过冲击锤和加速度计进行传统EMA测试，获取49个测点的频响函数(FRF)；2) 采用Solidworks建立三维模型并通过MSC.Patran进行数值模拟；3) 创新性地结合扬声器声学激励与激光多普勒测振仪(Laser Doppler Vibrometer, LDV)的非接触测量，实现模态振型的精确重建。这种多模态技术融合策略，既克服了传统接触式测量对轻质乐器的干扰问题，又通过交叉验证确保了结果的可靠性。

实验结果显示：在200-600Hz范围内成功识别出6个显著共振峰，对应不同的膜振动模式。其中基频出现在243Hz，与数值模拟结果的偏差控制在5%以内。高阶模态如(0,2)环向模式在487Hz处显现，其振型通过LDV测量显示出典型的节径分布特征。

数值模型验证：建立的有限元模型成功复现了前6阶实验模态，频率偏差均小于8%。特别值得注意的是，模型准确预测了边界约束条件对模态能量分布的影响——框架的刚性支撑导致振动能量集中在膜片中央区域，这一发现为后续乐器改良提供了理论依据。

声学驱动分析：通过扬声器在谐振频率点进行声激励时，LDV捕捉到的振型与数值模拟高度吻合。这种声-振耦合测试方法不仅验证了模型的准确性，还揭示了Erbane特有的声辐射特性：低频模态主要辐射轴向声能，而高阶模态则产生更复杂的三维声场分布。

这项研究的意义远超单一乐器分析。首先，它建立了传统框鼓的首个标准化研究范式，将EMA-FEM-LDV技术链成功应用于非西方音乐器具。其次，验证了声学激励结合非接触测量的可行性，为其他脆弱文物乐器的无损检测开辟了新途径。更深远的是，研究揭示的振动模式与声辐射规律，为乐器制造者提供了科学的调音指导——通过精确控制膜张力与框架刚度，有望实现Erbane谐波系列的主动设计。

正如作者Sinem Ozturk在讨论部分强调的，这项工作的方法论价值已超越音乐声学领域。其采用的频响函数分析和振动特征重建技术，与工程结构健康监测领域的最新进展（如Khatir团队提出的损伤识别算法）存在显著的学科交叉性。这种跨领域的相互印证，既提升了传统乐器研究的科学严谨性，也为振动诊断技术提供了新的验证场景。

论文发表在《International Journal of Engineering Science》，标志着传统乐器研究正式进入精密工程学视野。未来研究可进一步探索温度湿度对膜材料的影响，或引入人工智能进行振动模式优化，让千年古乐焕发现代科技的光彩。