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新型口琴格的设计、制作与推广
发布时间:2018
项目名称 新型口琴格的设计、制作与推广
项目类型 创业实践项目
学科类别 机械工程——机械制造自动化
项目编号 S201811068001
立项年份 2018
联系QQ号 3074327064
项目组成员 姓 名 年 级 专 业 是否主持人
胡涛2017机械设计制造及其自动化第一主持人
张战胜2017机械设计制造及其自动化
郭亚楠2016机械设计制造及其自动化
李银霞2017电子信息工程
指导教师 姓 名 职 称 研究方向
时伟 讲师 电路系统、工业设计
高飞 高级实验师 机械制造
学术成果

专利申请共7项,其中,发明专利实质审查3项,实用新型专利授权2项,外观专利授权1项,详细如下:

1【发明专利】一种声音检测电路系统,201810995492.0,实质审查 

2【发明专利】一种基于人体工学的口琴,201810972813.5,实质审查 

3【发明专利】一种全音阶口琴及其辅助可控式外壳,201811178918.X,实质审查 

4【实用新型】一种全音阶口琴的辅助可控式外壳及包含其的全音阶口琴,201821642717.6,已交年费 

5【实用新型】一种人体工学口琴,201821372664.0,已授权

6【外观专利】全音阶口琴格,201830626778.2,已授权 

7【外观专利】一种弧状吹嘴的夹板式全音阶口琴格,201830698288.3,已受理


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项目简介

本项目结合传统琴格材质探索新材料(金属、木材等)在口琴格及辅助外壳上的应用,在人体工程学、腔体结构设计、音质效果、高精度加工和装配、乐器可操控性方面,提出了创新性方案并进行试制。在指导教师的带领下,项目组成员各负其责,认真完成各部分工作任务,加工了实物模型作品作为成果的一部分,并对其中的创新之处做了七项国家专利申报,于河南省郑州市惠济区郑州工程技术学院金河众创空间注册有《郑州功坊乐器有限公司》

在国内外乐器行业竞争日益加剧的趋势下,创新性的设计将为乐器本身的性能提高、价值提升、市场定位和竞争优势提供有力保障,项目中相关专利将为国产乐器在国内外市场的品牌推广和价值提升中保驾护航,构建坚固的堡垒或壁垒,有效提高产品的市场竞争力,助力新国货口琴真正走向国际市场,重塑国人对口琴的认知和理解,提升民族品牌的认知度,从而促进国内口琴行业的健康发展。项目的实施有效地推动了大学生综合能力素质的显著提升,项目成果的进一步市场推广,将产生显著的经济、社会和环境效益。另外,将研究成果以闭环方式及时反馈至教学活动,已申报校级公选课《工业设计与匠品制作的融合创新及实践》。

项目特色与创新

一、研究对象

本项所述为全音阶口琴(或称十孔口琴),由两副口琴外壳3、两副簧板(分别嵌有10个簧片)2和一个口琴格(10个孔位)1通过螺丝组装而成,其基本吹奏技巧为:口含单孔,吹气时吹音簧片自由振动发音、吸气时吸音簧片自由振动发音。由此,可在这类口琴上获取20个有效音符(见表1),其结构参考图1如下。

图1 全音阶口琴结构参考图
1琴格 2簧板 201吸音簧板 202吹音簧板 3盖板 4气道 5吹孔 6簧片 7吹嘴 8侧边 9顶角 10内槽 11安装孔

表1全音阶口琴Paddy音阶表 


二、特色与创新

本项目结合传统琴格材质探索新材料(金属、木材等)在口琴格及辅助外壳上的应用,在人体工程学、腔体结构设计、音质效果、高精度加工和装配、乐器可操控性方面,提出创新性方案并进行试制。

2.1人体工程学设计
在口琴的握持舒适度、夹持舒适度、口感舒适度、吹奏舒适度上,以人体工学设计理念出发,使口琴的吹奏尽量适合人体的自然形态并尽量减少疲劳,从而使乐手全身心地投入到音乐的创作与表现中。
2.1.1圆弧吹嘴
吹嘴是与吹奏者嘴唇接触的部分,与气流通道也有着重要关联。
传统口琴的吹嘴均采用平面设计,如图2所示。吹奏者的嘴唇与其接触时,无法对单独的吹孔进行有效密封,从而导致气流外漏,消弱簧片振动效果,如果气流进入相邻吹孔则容易出现串音或音符不纯现象,严重影响演奏效果。
图2 传统琴格的平面吹嘴
本项目采用外凸的弧面设计,如图3所示,可使吹奏者嘴唇与琴格吹嘴紧密贴合,减少因密封不严造成的漏气和气流串孔(串音)现象。与传统的平面吹嘴设计相比,有效的提高了乐器的实际吹奏音效,并极大地改善了口含舒适度,减少了吹奏疲劳度。
图3 圆弧吹嘴设计
2.1.2仿生吹孔
吹孔是气流通道的入口,与吹奏者的口型相匹配。传统口琴的吹孔均采用矩形截面设计,如图4所示,无法与吹奏者口型做到最佳匹配,且在口型外接与矩形截面时,将有部分气流进入相邻吹孔产生串音或音符不纯现象,影响演奏效果。
图4 矩形吹孔
本项目采用圆孔或圆角矩形,如图5所示,可与吹奏者口型做到最佳的匹配度。与传统的吹孔的矩形截面设计相比,可有效地减少气流串音,从而提高演奏效果。
图5 仿生吹孔设计
2.1.3球状顶角
传统琴格的顶角均采用直角设计,如图6所示,在口琴存放和使用的过程中,对接触面会产生较大的摩擦力,局部受力情况下会对吹奏者的身体部位造成损伤,缺少人体工程设计理念。
图6 传统琴格的顶角直角设计
与传统的琴格直角相比,本项目的琴格顶角采用球状顶角设计,如图7所示,可以有效减少各种原因对吹奏者造成的刮伤或擦伤,同时具有很强的视觉效果。
图7球状顶角设计
2.1.4弧度侧边
琴格两侧是吹奏者夹持或握持的主要部分,起到口琴固定的作用。传统口琴的侧边均采用直角设计,如图8所示,由于口琴表演时需要乐手双手夹持或握持口琴以获取特定的音效,故而在手部虎口和拇指支撑处将产生较强不适和疼痛感,一定程度上消弱了乐手、乐器和音乐的融合度。
 
图8 传统琴格的侧边图片
本项目采用弧状形态,设计过渡弧面,如图9所示,可以有效减少吹奏者因长时间演奏而带来的手部疲劳感,极大地提高握持或夹持舒适度,从而使乐手全身心地投入到音乐的创作与表现中。
图9弧度侧边设计
2.1.5仿生盖板
盖板是腔体构成和手持支撑的的主要部分,对口琴内部结构也起到保护作用,本项目盖板采用整体弧状人体工程学设计,如图10所示,与传统非弧状或部分弧状设计(如图11)相比极大地提高了手指加持口琴的舒适度,减少手部疲劳。
图10仿生盖板设计


图11 传统盖板设计

2.2腔体结构设计

2.2.1琴格涡旋气道
吹气气流在较为恒定的压力下,在气流通道底部经过反射压迫后最终触发吹音簧片振动发声。本项目将气流通道底部设计为圆弧状形态,如图12所示,吹气气流在较为稳定的压力下,有小部分气流在底部反射后形成涡旋气流;与传统的气流通道底部平面形态设计(如图13)相比,本方案在保证吹音簧片正常振动发声的同时,可间接触发吸音簧片处于亚振动(轻微振动)状态,从而增加实际音波中的谐波含量,起到丰富音色的作用。


   
图12琴格涡旋气道
 
图13 传统气流通道底部平面形态


2.2.2吹、吸音可控式独立圆润腔体
盖板为内部簧片振动提供了谐振腔体,传统口琴吹吸面盖板同时在底部设置漏音槽,如图14所示,可通过双手掌的开合来改变音效。
本项目设计的密封式吹音盖板在底部单面留有独立漏音槽,演奏者可高效通过手掌开合以更为集中地控制吹音音效;密封式吸音盖板在顶部单面设计有独立漏音槽,演奏者可高效通过手指颤动或开合控制吸音音效,从而有效地提高乐器的可操控性。


 
图14 传统口琴盖板漏音槽设 
图15 独立式吹音漏音槽设计
 
图16 独立式吸音漏音槽设计

2.3材料研究分析

在近代口琴制造业中,为了提高生产效率并降低生产成本,在琴格材质的选取上多使用塑料并采用注塑工艺制作,在盖板材质的选取上多使用白铁及冲压工艺制作。从材料本身的密度特性和对声波(及谐波)的反射和吸收上分析,这种制造工艺将消弱乐器本身音色的一致性,无法最大化地发挥乐器的独有特征,限制了乐器的应用场合和领域。
经大量试吹分析,金属琴格与金属盖板的搭配可以有效释放乐器簧片振动的高次谐波成分,使得乐器的音色冷艳而空灵;而木质琴格与木质盖板的搭配可以有效释放其中的低次谐波成分,使得乐器付音色温暖而圆润。本项目创新性地将人体工学设计和独特的腔体结构设计,以CNC制造工艺对金属琴格、木质琴格和木质盖板进行了高精度加工和装配,取得了较好的实际吹奏音效和较强的乐器可操控性。在实物成果中,制作了全球首款全琴仿生木作品和人体工程学金属格口琴,一经发布即得到了众多口琴爱好者的关注。

图17 全琴仿生木作品和人体工程学金属琴格
     
图18 全琴仿生木作品侧视图
 
图19 人体工程学金属琴格
 

图20 人体工程学金属格口琴装配图

三、推广

在项目的实施和推进过程中,于河南省郑州市惠济区郑州工程技术学院•金河众创空间注册有《郑州功坊乐器有限公司》,同时尝试了以网络和实体形式进行产品的推广,并与国内龙头乐器厂家东方、奇美、天鹅等就产品联合开发、专利技术转让等方面进行了初步接触。后期,项目团队将在保持产品类目和内容创新的同时,侧重于前期研究成果的市场推广和产业化合作,以实现预期的经济效益。

下图为项目于注册地郑州工程技术学院•金河众创空间创建的《设计、制作、推广一体化工作室》实景拍摄,更多请访问网址,http://www.kouqinwang.com


打磨与切割制作区

快速成型与激光制作区

工具与CNC雕刻制作区

创造性设计区

展销区

展销区

整装测试与小型表演区

交流洽谈区 


四、总结
在国内外乐器行业竞争日益加剧的趋势下,创新性的设计将为乐器本身的性能提高、价值提升、市场定位和竞争优势提供有力保障,项目中相关专利将为国产乐器在国内外市场的品牌推广和价值提升中保驾护航,构建坚固的堡垒或壁垒,有效提高产品的市场竞争力,助力新国货口琴真正走向国际市场,重塑国人对口琴的认知和理解,提升民族品牌的认知度,从而促进国内口琴行业的健康发展。项目的实施有效地推动了大学生综合能力素质的显著提升,项目成果的进一步市场推广,将产生显著的经济、社会和环境效益。

项目成果


已申请专利七项,于河南省郑州市惠济区郑州工程技术学院金河众创空间注册有《郑州功坊乐器有限公司》。在国内外乐器行业竞争日益加剧的趋势下,创新性的设计将为乐器本身的性能提高、价值提升、市场定位和竞争优势提供有力保障,项目中相关专利将为国产乐器在国内外市场的品牌推广和价值提升中保驾护航,构建坚固的堡垒或壁垒,有效提高产品的市场竞争力,助力新国货口琴真正走向国际市场,重塑国人对口琴的认知和理解,提升民族品牌的认知度,从而促进国内口琴行业的健康发展。项目的实施有效地推动了大学生综合能力素质的显著提升,项目成果的进一步市场推广,将产生显著的经济、社会和环境效益。

另外,将研究成果以闭环方式及时反馈至教学活动,已申报校级公选课《工业设计与匠品制作的融合创新及实践》。


研究心得

团队成员具备扎实的模拟电路、数字电路、UG编程、数控加工,信息化管理等方面的知识,参与了项目中机械设计加工部分和电路制作调试部分的工作。在项目的实施过程中,有效地巩固了相关专业知识,也极大地提高自身的综合素质和创新创业能力,对于以后的工作、学习和生活都有很大帮助。


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