基于技术的古琴琴腔构造无损检测研究

引 言

古琴作为一种古老的弹奏器具其主体由一块外立面呈瓦弧形的面板和一块平整的底板黏合而成，也有用竹钉连接这两部分。面板多用桐木、 杉木等松质木料，而底板常由梓木、 塞木等硬质木料制成[1]。琴面木材的纹理梳直匀称，在琴面内腹斫成琴腔。琴腔的内部构造分为舌穴、 项位、 声池、 槽腹、 天地柱、 腰位、 纳音、 足池和韵沼，这些琴腔的空间形态与各部位大小影响着古琴音质。

传统的古琴检测主要通过经验制琴师的音律调试与形制观测获取，随着现代技术的运用古琴保护与修复工作更加规范化。计算机断层扫描(CT)技术作为一种先进的无损检测技术，具有检测快速、 穿透力强、 分辨率高、 检测结果直观而且无需破坏被检测物优点，目前广泛应用于医学、 石油化工、 生物技术及农业等领域[2]。在制造业中，产品内全封闭或半封闭内腔的无损伤测绘，以及产品反求与分层设计制造，计算机断层扫描技术均起着无法替代的巨大作用[3]。本研究利用CT无损检测技术获取琴腔构造图像，根据断层图像辨识古琴木纹纹理、 木材内部缺陷情况，并通过面绘制法实现古琴内部琴腔体积的三维重建，解决了二维断层图像不能直观、 准确地表现出古琴内部构造的问题。

1 实验部分

1.1 CT检测技术原理

CT的基本原理是由一高度准直的、 极细状的X射线束环绕所测物体的某一部分作断面扫描，部分光子被吸收，X射线的强度因而衰减。未被吸收光子穿透物体后被检测器接收经放大转化为电子流，并作为模拟信号输入计算机，经过处理运算，重建图像，最终将数据在屏幕上显示，并获得相应点的CT值。利用断层图像中的图像灰度数值可与被检对象材料的辐射密度产生对应的关系，以此来发现被检对象内部辐射密度的微小变化[4-5]。

1.2 仪器

试验采用的仪器为美国通用电气(general electric，GE)BrightSpeed Excel 4螺旋CT，仲尼式扫描参数： 电压120 kV、 电流20 mA，层厚10 mm； 落霞式扫描参数： 电压120 kV、 电流160 mA，层厚10 mm，均采用重建算法“bone”，图像大小为512×512 pixels，仲尼式共扫描126张古琴断层图像，落霞式共扫描122张古琴断层图像。

1.3 材料

仲尼式古琴，形态完整，长1 240 mm，肩宽210 mm，尾宽135 mm，厚度54 mm，底板厚度10 mm； 落霞式古琴，长1 220 mm，肩宽218 mm，尾宽135 mm，厚度56 mm，底板厚度15 mm。

1.4 方法

1.4.1 古琴预扫描与各断层扫描

将两古琴试件分别平置于CT操作台，为观察古琴琴腔构造需获取完整的古琴全长图像，图1所示为古琴预扫描全长图像。

1.4.2 古琴图像预处理

为了从CT图像中准确地提取出所需信息，要对原始图像进行预处理来突出有效的图像信息范围，消除或减少噪声的干扰并便于后续三维重建目标区域的快速提取[6]。利用图像剪切方式处理古琴试件图像外的区域，保留所需CT扫描目标图像，如图2所示为选取的两试件相同位置断层图经剪切后的对比图像。

Fig.1 Guqin scanning view (a)： Zhong-ni type； (b)： Luo-xia type

Fig.2 Tomographic imageofGuqin in different position (a)—(c)： Zhong-ni type Guqin neck-waist-tail； (d)—(f)： Luo-xia type Guqin neck-waist-tail

1.4.3 图像阈值分割

阈值法是一种传统的图像分割方法，因其实现简单、 计算量小、 性能较稳定而成为图像分割中最基本和应用最广泛的分割技术[7]，主要适用于灰度值对比明显的图像进行分割处理[8]。由于古琴琴腔构造相对简单，且琴腔内部中空与围合的古琴面板和底板CT值对比显著，因此可通过阈值法获取所要的琴腔腔体部分。

1.4.4 琴腔三维重建

将仲尼式与落霞式的所有断层扫描图像导入Mimics软件中，进行关键目标区域即古琴琴腔所在范围的阈值分割，选取相同阈值的区域并对每张断层图进行目标选取，最后进行三维重建。

2 结果与讨论

2.1 古琴面板纹理

针叶材的生长轮宽度、 晚材率对木材振动特性有重要影响。生长轮宽度适宜、 晚材率高使木材具有较好的振动性质。古琴面板具有木质较轻，纹理通直，宽度均匀的特点，一般选择直纹而不用云纹做琴面板。木筋垂直于琴面，使得材料更富有弹性，利于振动和声音的传递。利用CT获取古琴断层扫描图，如图3(a)所示，仲尼式面板断层纹理清晰，呈对称排列形态，木纹平行于古琴纵向长度； 对比图3(b)可见面板木纹纹理宽窄差异较大，且在轴中心方向上直纹并未呈对称分布，由此通过纹理可判断落霞式在琴面板方面会对古琴音质产生一定影响。

文章来源：《无损检测》 网址: http://www.wsjczzs.cn/qikandaodu/2021/0326/457.html