科学制琴的究极奥义（上）

前言

很久很久以前，网管曾经和其他同学们一样对中国传统武术产生了浓厚兴趣。期待有一天可以炼成一身盖世奇功可以匡扶正义维护世界的和平。（这里的世界和平指打败学校门口小流氓）可是像电影少林寺里那样的苦练显然不适合网管这样的懒人，另一种更简单的方式显然是从山顶上掉下去然后跌落在一个半山腰的古墓或者山洞什么的，再或者有天放学回家路上遇见一个看起来又脏又奇怪的老爷爷。

时过境迁，网管没有遇到神奇的武林高手老爷爷，但依然对中华传统武术保持着浓厚的兴趣。我们已经不需要传统武术作为维护正义的手段，遇到坏人坏事及时拨打110相信人民警察才是正道。但传统武术到底能不能实战成了目前热搜上的常见话题。那么问题来了，浑元形意太极拳掌门人作为一位69岁高龄的武林高手，创造的30秒内被KO三次的世界纪录目前仍无法被打破。敢于站在擂台上的勇气和胆量令人敬佩。但能满天飞的传统武术和气功并没有取得比赛的胜利。如果真有什么秘籍的话，可能还是那条既简单又艰难的道路。想要变得强大只能如一拳武术家埼玉老师所言：“俯卧撑100个！仰卧起坐100个！下蹲100个！然后跑步10km！这些每天坚持！”

除了日复一日刻苦的训练，另一位中国武术家傻二先生曾经在1986年的电影《神鞭》中的一席话也让网管印象深刻。（难道想要变强真的只能以牺牲发量为代价。。。慌。。。）

友情提示：扎实的传统制琴技术和经验才是好琴保障。《如来神掌》是为无论刮风下雨都可以100个俯卧撑和10公里跑步的高手准备。要想偷懒走捷径，恐怕需要《葵花宝典》。

究极奥义：做两把完全一样的琴

这里说的完全一样的两把琴指的是：两把琴的所有几何形状上的误差不超过0.1mm；两把提琴在超过50人的主观评测结果中听起来是一样的（统计上）;两把提琴的声学测量结果中主要特征频谱是一样的，其他数据的趋势性一致。

2017年，在欧盟的相关部门资助下，法国索邦大学，法国国家科学研究中心，西班牙BELE制琴学院，提琴声学研究者和国际著名的制琴师向这一说起来简单的目标发起了挑战。在取得了初步的进展之后项目目前已进入第二阶段。在已经造出了两把一样的琴之后，目前又造出6把面背板厚度不一样但其他部分都一样的琴。由于这一研究课题与提琴制作息息相关，项目中受控组的六把提琴在西班牙北部城市Bilbao的制琴学院BELE完成。项目因此被称为Bilbao。在今年的国际提琴在线会议上项目主要的组织者Cludia Fritz女士分享了项目的进展。我们得以有机会了解到为了实现这一小目标，他们都经历了什么。

第一式：选材

正如世界上没有两片完全一样的树叶一样，天底下也没有两块完全一样的木头。木材千变万化，而作为一种非均质的材料这为项目的受控造成了极大的难度。选材的过程中，通过原有对小提琴面背板的密度数据项目选定了一个标准范围。最终选择符合传统制琴工艺中公认的一组木材密度作为选材标准。简单来说，在软硬适中的范围内去进一步寻找匹配的木料。

面板的选择是一颗1995年被采伐的云杉。

六块木纹非常接近的枫木。

选完了木头之后接下来使更多对于目标木料密度的测量，其中使用了两种测量方法结果如下。最终接过来看在密度上已达到受控试验的标准。在进行了对测量木料的几何形状精确测量和控制含水量之后，选材步骤完成。对于国际上的提琴声学研究者这个开头很不容易，虽然我们可以用有限元仿真和将木材替换成其他容易操控的新材料但只有木材的控制才是最有意义也是最难的。

第二式：建模

建模的用途和原理自古以来都一样，当我们想要建造一件物品时画一张图纸就是一个二维建模。这也是制造最开始的步骤，没有图纸一切都是白扯。科技的进步我们早已经有了二维建模之外更精准和方便的工具，这些工具都可以为制琴师提供更精确的图纸和模具。在Bilbao项目中，选择了1713 “Huberman”作为建模的目标。使用精度0.1mm的CT扫描了实物获取了这把琴的3D建模数据。（三位巨头的摆拍微笑，实际操中携带金属制品做CT吃枣药丸）

找个医院给琴做一次3D CT扫描这种事目前看并不难。如果只需要2d的扫描精度又不要求太高的话每天出门都有免费的机会，仅需要和一位地铁安检员大哥搞好关系然后强烈要求把要扫描的琴过安检扫描即可。但真正的难题很快又出现了：

经过300年被大量音乐家演奏过的“Huberman”早已不是过去刚做出来的那个样纸了，木材的粘滑性改变了琴的外形达到不需要仪器肉眼都分辨得出来的程度。左右上下都不是对称的，而音柱上方的面板弧度明显高于低音梁相对应的镜像位置弧度。这种固体上出现的流变现象出现在了多把存世至今的名古琴上，我们不能做一个不规则不对称的建模出来，要做的是Huberman300年前的样子。
整体结构的变形之外，经过扫描后发现名古琴内部的大量部位和表面的漆层厚度也都存在微小的缺失并不是一直的参数就可以解决。
而面板背板的另一面每一平方厘米的厚度都可能是不一样的，建模如果不做到厚度分布和实物一致那后续的研究将不具备参考价值。

复原古琴的建模需要从对原始3D建模的修复开始，在建模软件中使用几何图形学的公式把鼓出来的包抹平，把确实的图层粘回去，把发生形变的每一个位置复原成古琴刚做出来时的样子。这并不容易，数字建模工具并不能胜任这些工作。就像我们使用美图秀秀一样，软件的开发者并没有将这些特殊的需求产品菜单化。理想情况下需要使用数学方法在建模软件中实现二次开发回归数学公式和功能。

处理鼓包的地方

修复表面细微的缺失

复制面背板的厚度

第三式：CNC

老乡请跑慢一点，请听我解释。使用了数控机床并不是研究中途经费不够了要省钱。项目在这个阶段的目标是制造出几何结构上完全一致的琴，并不是像很多大师们所想象的制造出一把超越Strad的琴。使用CNC并不容易，虽然用上了机器但实际上为了达到目标考虑到了很多细节导致比工厂琴的加工工艺要复杂的多。

CNC高速旋转的刀头对木材产生的高热量会改变琴板的内部性能；
误差要控制在0.1mm；
完成后的板要立刻固定在外模装置内保持拱高。

使用数控机床也没想象中那么高科技，一不小心就会各种咔嚓，咔吧，夸嚓嚓。然后只剩下满地心碎的声音。从项目立项开始试验样本琴的面板和背板制作使用了将近两年的时间。

别急还不能上桌，做好的6组面背板要经过测量才能达到受控标准。这回测量单位变成阻抗，质量和频率：

6个面板的测量结果：

6块背板：

每一个小区域的厚度都被标注好

最终用了两年的时间，六把受控样本琴的面板和背板完成了制作。由于其他参数都保证了一致性，仅从不同的面背板厚度去寻找厚度与音色之间的关系。可以组成的六把琴分别如下如所示：

两把完全一样的琴，使用厚度适中的面板与背板复原目标名古琴（Mtop，Mback）
厚面板，适中背板（Rtop，Mback）
薄面板，适中背板（Ptop，Mback）
厚背板，适中面板（Rback，Mtop）
薄背板，适中面板（Ptop，Mtop）

第四式：全琴装配中的测量

两年的时间，才只完成了12块板的制作。接下来在全琴的装配中，全部的部件都重复着上述样本一致性控制加不断测量的过程。全琴的装配由专业的制琴师完成，关键部件如音柱的装配由Fernando Fernández完成。确保每一个环节都能达到仪器测量结果作为标准的一致性原则。以琴码为例，先找到50个尺寸完全一样的琴码，一个个上仪器测量质量与频率的Z指数数据，然后再选择出6个数据上可以达到一致性标准的琴码进行装配。虽然部分测量仪器并不是自行开发的，（例如用的是校准上存在争议的某个测声速仪）但整体过程之严谨着实让人钦佩。