弦乐器的树木年代学年代测定和出处

Summary

弦乐器的树木年代学分析需要检查顶板，测量树木年轮宽度，确定仪器的年表，并通过确定结束日期（最近树木年轮形成的年份）来确定日期。

Abstract

树木年代学是确定木材中树木年轮年代的科学，它定义了特定树木年轮是在哪个日历年形成的。该方法可用于确定木制乐器的年龄和认证。我们提出了一个协议，描述了如何对弦乐器进行树木年代学分析以及如何解释年代测定。该协议描述了分析顶板的基本步骤，顶板通常由挪威云杉（Picea abies）或更罕见的银杉（Abies alba）制成。首先，仔细检查顶板，然后使用高分辨率图像直接在仪器上测量树木年轮宽度。完成测量后，创建仪器的树木年轮序列，并在下一步中使用来自不同地理区域和仪器的树种的许多参考年表进行测年。确定仪器日期的专家也投入工作来创建参考编年史。树木年代学报告将仪器的年代作为日历年（结束日期）提供，表明当树还活着时，顶板上最后一个（最近的）树木年轮形成的年份。结束日期代表终点 站，即乐器制造后的年份或无法制造仪器的年份。要估计制造年份，必须考虑木材干燥和储存所需的时间以及木材加工过程中移除的树木年轮数量。该协议旨在帮助那些委托进行此类分析的人更好地了解分析是如何进行的，以及如何根据仪器的年龄、起源、制造商和真实性来解释树木年代学报告。

Introduction

本研究的目的是提出一种用于对木制弦乐器顶板上的树木年轮进行树木年代学分析的方案。树木年代学被用作一种确定仪器木材年龄的方法，方法是确定盘子上最年轻的树木年轮形成的年份以及制造仪器的年份（或在此之前无法制造仪器）。

确定乐器（如小提琴）的年代是其认证的重要步骤¹，²，³，⁴，^5，6。这是一个复杂的过程，涉及乐器的制造年份，以及制造商或乐器制造学校或地理区域。为此，树木年代学通常与其他技术相结合，包括研究仪器上的标签（通常不可靠）以及检查仪器及其部件，例如轮廓，卷轴，木头图形和老化，清漆，f孔和檩条（图1）。身份验证只能由专家⁵，^6，7 完成。

图1：小提琴的顶部及其部件。 由挪威云杉（Picea abies）制成的顶板（也称为前板，腹部或音板）的木材可以通过树木年代学确定日期。其他部件（如涡旋、f孔和檩条）的特性和尺寸由器官学家研究，并有助于验证仪器。刻度 = 20 厘米。 请点击此处查看此图的大图。

树木年代学是确定木材中树木年轮的科学，也称为年轮，年轮或生长层，每年在温带树木中形成。树木年代学阐明了特定树木年轮是在哪个日历年形成的。通过确定树皮下方最外层和最近形成的树木年轮的年代，可以确定树木被砍伐前生命的最后一年。

树木年代学基于这样的原则，即树木年轮宽度（和其他特征）的年度变化在很大程度上受到环境的影响，尤其是树木生长的气候。当一个地区的条件相似时，同一物种的树木从每年到^{第 8} 年表现出相似的树木年轮变化。这意味着树轮系列（即树木年轮宽度随时间的变化时间序列）对于同一区域内同一物种的树木是相似的。

木制仪器的年代测定遵循用于确定历史物品年代的原则。在大多数情况下，它基于测量树木年轮宽度，创建同一对象的树木年轮系列，交叉约会（以确定它们的匹配位置），并将它们平均为对象的浮动年表，显示相对时间³，^4，6的树木年轮系列。

绝对年代测定（确定树木年轮形成的日历年）是通过与为特定树种和地理区域建立的一个或多个参考年表交叉测年来完成的^4，6。参考年表必须基于足够数量的树木的年轮宽度（复制），并且应足够长以涵盖感兴趣的时期。

树木年代学经常用于确定小提琴，中提琴和大提琴等弦乐器的年龄1，⁹，^10，11，^12，13。对于弦乐器，顶板（也是前板、腹部或音板）的木材可以注明日期。它们通常由挪威云杉（Picea abies）或银杉（Abies alba^）制成4，^6，13。测量必须以非侵入性的方式直接在仪器上使用图像进行。测量通常在顶板上的不同位置进行，以建立仪器的序列，该序列可以与参考年代学一起确定日期。

测年是最关键的一步，因为必须为所研究仪器的物种、地理区域和时间段提供参考年表。国际树木年轮数据库（ITRDB）¹⁴ 提供了许多年表，但只有少数是来自该地区的挪威云杉或银冷杉，涵盖了感兴趣的时期⁶;因此，树木年代学实验室在构建参考年代学方面投入了大量精力。如果有年表网络，那么年代测定的可能性就会增加，包括来自精确定义的森林地点的年表、年代测定的仪器和来自不同制造商的仪器收藏，例如来自意大利的斯特拉迪瓦里、瓜内里和阿玛蒂家族⁵、^{6、15、16、}奥地利的雅各布·斯坦纳，以及来自德国的约阿希姆·蒂尔克和霍夫曼家族的成员 ^17， 18^，19.制造商在16世纪至18世纪制造的精美历史乐器最受音乐家和收藏家的青睐，尽管许多鲜为人知的制造商的重要性也在增长³，⁴，^6，12。

树木年代学提供了结束日期，必须将其视为终点 - 仪器制造的年份。树木年代学也用于树花，这有助于确定木材的地理起源，并将乐器分配给特定的小提琴制造商或小提琴制作学校³，^4，6。

树木年代学的结束日期几乎从不与仪器的制造年份完全一致，因此必须估计后者，这需要大量支持信息和不同领域专家之间的合作。

Protocol

1.弦乐器-小提琴的检查和描述

注意：小提琴是最常研究的弦乐器。因此，我们描述了小提琴上的程序。

1. 检查仪器及其所有部件。拍摄正面（顶部）、背面、侧面、滚动和标签的详细照片，以及最终报告和存档的测量刻度（图1）。
2. 检查仪器的顶板以确定其构造方式。如果可能，从仪器上取下琴弦以方便分析。
3. 检查顶板是否由一个、两个或多个部件组成，以及它们是如何连接在一起的。在这里，描述了由两部分组成的顶板的程序，这是最常见的情况。
4. 在顶板的径向板上（图2A，C），检查树木年轮的结构和方向。它们被视为年度生长层的带，由浅色的早木和深色的晚木组成，并由树木年轮边界划定（图2D）。
5. 根据早木到晚木的位置和过渡，确定哪一侧是树皮，哪一侧是髓（图2C，G）。在大多数情况下，最近形成的树木年轮位于顶板中心的接缝处（当它由两部分组成时;图2C，D，F）。这些是树木仍在生长时最接近树皮的年轮（图2D，G）。
   注意：由于我们需要查看径向结构，因此树木年轮显示为条带而不是年轮。然而，术语树年轮和树年轮宽度（TRW）在本协议中使用。

2. 选择乐器的测量位置

1. 检查顶板上每块最宽的部件。
2. 检查是否有任何损坏、维修、修饰或污垢，以及清漆是否足够透明，可以看到树木的年轮。如果仪器已打开（在持续维修或修复期间），请测量顶板底部的树木年轮，其中没有涂上清漆。
3. 选择树木年轮数量最多的区域，并检查年轮之间的边界是否可以识别（图2C，D）。只有当木结构清晰可见时，测量才能正确。
4. 尝试清楚地看到树皮附近的树木年轮，因为树木正在生长，以便准确识别结束日期（图2D）。使用放大镜或体视显微镜进行观察。
5. 在从树皮到髓的方向上标记测量线。为其配备测量秤（图2C）。为此，将秤（例如，市售的纸质卷尺）放在板上。

3. 捕获数字图像

1. 使用图像分析系统捕获图像以测量树木年轮宽度。将小提琴顶板侧放在扫描仪上，扫描为树木年轮测量选择的部分（图2B）。选择 1，200 dpi 或更高的分辨率。使用允许高景深的扫描仪。
   注意：扫描不是捕获图像的唯一方法。也可以使用相机或其他设备。如果必须捕获多个图像，则必须将它们正确拼接在一起。也可以借助显微镜和特殊测量装置（例如测量台）直接在小提琴上测量树木年轮宽度。这在结构能见度差的情况下以及需要在体视显微镜镜头下观察时特别有用。在这种情况下，图像对于进一步控制测量和存档很有价值。
2. 要编辑图像，请使用图形编辑程序检查图像的质量并调整颜色、亮度和对比度，以最好地看到年度年轮和它们之间的边界。使用图像分析系统测量树木年轮时，此步骤非常有用。
3. 要存储图像，请以适当的格式（.tiff、.jpg）保存图像。

4. 树木年轮宽度的测量

1. 启动图像分析系统，最好是设计用于自动和手动检测树木年轮以及测量TRW的系统。
2. 打开图像并通过在作为图像一部分的测量刻度上测量已知长度的距离来手动检查或设置校准（图2C，D）。
3. 通过单击树木年轮边界开始测量，以便记录它们之间的距离，代表TRW（图2D）。注意测量的第一个树木年轮是更接近树皮还是更接近髓。对于小提琴，请手动单击树轮边界，因为通常无法自动检测 TRW 或需要太多校正。
4. 测量沿测量线的所有 TRW。将数据保存为树木年轮系列（图2E），每个TRW记录特定的相对年份。以广泛使用的数据格式之一保存数据。在同一块板上执行多个测量，以便以后进行验证。
   注意：TRW测量还有其他选项（此处未描述）。选项1：使用通用图像分析系统，打开并校准图像，测量TRW，并记录测量结果。选项 2：使用带有内置公制刻度的 10 倍放大镜，直接在小提琴上测量 TRW 并记录测量结果。选项 3：使用由可移动测量台、体视显微镜和特殊程序组成的经典树木年代学设备设置来记录测量结果^4，15。将小提琴放在桌子上，在体视显微镜下观察。启动树木年轮测量程序，并通过单击树木年轮边界来测量TRW。

5. 数据处理、交叉测年和构建仪器年表

注意：对于交叉约会，需要一个专门的程序和合适的参考年表。

1. 对于数据处理，请打开数据文件。我们在这里描述如何使用原始 TRW 系列（即 TRW（以毫米为单位）相对于年份; 图2E）。
   注意：也可以使用索引数据。
2. 要交叉测年同一仪器的树木年轮系列，请打开要交叉测年的树轮系列和同一仪器的另一个树轮系列作为参考并运行交叉测年，这会将它们移动到同步（交叉测年）位置。
3. 检查树木年轮模式和交叉测年参数。如果测量正确，则树木年轮模式，尤其是同一电路板的年轮模式非常相似（图2E），并且交叉测年参数很高。
   1. 检查小提琴研究中使用的以下主要交叉测年参数：一致性系数Gleichläufigkeit（Glk%），Baillie和Pilchert值（TVBP）和Hollsteint值（TVH）²⁰，^21，22。
   2. 如果 Glk ≥65%，TVBP ≥4.0，TVH ≥4.0，则考虑具有统计显著性的参数。在乐器年代测定的情况下，保持更严格的标准和更高的参数值（例如，TVBP ≥7.0）。
   3. 考虑重叠 （OVL），它表示两个树木年轮系列的重叠周期，以年为单位。
4. 当两个树木年轮序列位于相同的相对时间刻度上时，保存序列的位置。重复此步骤，直到每个板和仪器的所有树木年轮系列都交叉日期。
   注意：交叉测年基于通过计算统计相似性参数和图形比较（匹配）来比较（两个）树木年轮系列。（同一仪器的）树木年轮系列之间的良好一致性证实了测量的正确性，如果树木年轮非常窄或不清晰，或者如果它们缺失（即，不是在树中形成），则测量的正确性会受到影响。
5. 为了创建小提琴的年表，当同一板和乐器的所有 TRW 系列都交叉日期时，请查看它们的图表。然后，选择那些没有测量误差的并将它们平均以形成仪器的时间顺序。现阶段，年表尚未确定日期。
   1. 为此，从顶板的每个部分至少产生两个测量值。如果仪器内序列之间的一致性在统计意义上显著，则将所有树木年轮序列平均为工具的一个年表。

6. 仪器的日期

1. 将小提琴的年表与参考年代交叉。在此步骤中使用多个参考年表。进行交叉约会，检查协议的参数，并目视评估建议的约会位置。
   1. 为了成功测年，请确保通过具有统计显着参数的多个年表以及序列的光学比较来确认相同的结束日期。使用其他技术，例如从匹配曲线形成平均年表或分割更长的序列以进一步确认日期。
      注意：这是一个非常关键的步骤，因为约会需要适当的参考年表。ITRDB¹⁴提供了一些参考数据。
2. 报告结束日期，这是树木年代学分析的最终结果²³.估计应添加到结束日期的年数，以建议仪器的潜在制造日期。为此，请使用标签上的信息（如果是原始的）和其他来源，了解其他专家评估的仪器的潜在年龄、地理区域、制造商和器官特征。
3. 尝试确认有关年龄，制造商和原产地的假设，因为这有助于确定小提琴是否真实。
   注意：结束日期不表示小提琴的制作年份，必须估计。
4. 写一份报告，包括树木年代学结束日期和有关调查的充分信息，并辅以可能有助于解释日期的信息。
   注意：协议最重要的步骤如图 2 所示。

图 2：协议步骤的详细表示。 （A） 一把小提琴，顶板由两个共振板（低音和高音）制成;（二）扫描顶板;（C）选择用于树木年轮宽度（TRW）测量（精度0.01毫米）和测量方向从树皮到髓（它们在板外）;（四）径向板上的树木年轮作为条带，TRW测量方向从较深的晚木到浅色的早木;星号表示结束日期为 2003 年和 1995 年的两块板粘在一起的位置;+1, +2, +3...表示树木年轮边界（+）和树木年轮编号（1，2，3）的位置;比例尺 = 1 厘米;（E）小提琴高音和低音侧的树轮系列，交叉日期为2003年和1995年;（六）由于仪器制造过程中移除的年轮数量不同，两块板的结束日期不同;（G）共振板的方向在树上与树轮的结束日期和树皮下方的最后一个树木年轮对应，树皮在被砍伐之前形成。 请点击此处查看此图的大图。

Representative Results

要求进行树木年代学研究的典型案例是据称由克雷莫纳的安德里亚·瓜尔内里（Andrea Guarneri）制作的小提琴，该小提琴属于生产了许多有价值的乐器的家庭/学校^16，24。有问题的小提琴包含两个标签。一个说这个乐器是由克雷莫纳的安德里亚·瓜尔内里（Andrea Guarneri）于1747年制造的，而另一个说只有1867年。然而，对小提琴的器官学检查（图3）表明它可能起源于德国，大约有300年的历史。

图3：历史小提琴，按树木年代学确定日期 。 （A）顶部，（B）背面和（C）小提琴的卷轴，其中包含两个标签，上面刻有1747年克雷莫纳的Andrea Guarneri和（2）1867年的铭文。顶板由两个共振板（低音和高音）组成，板上最年轻的树木年轮（箭头）的结束日期被树木年代学确定为 1640 年。该仪器可能是在1640年之后几年制造的，因为Δt间隔（结束日期和制造日期之间的年数）对于可能制造该仪器的Jakob Stainer的许多仪器平均为14年。 请点击此处查看此图的大图。

小提琴的顶板由两块挪威云杉径向板制成（图3A）。树木年轮非常窄，平均为0.69毫米（范围从0.28毫米到1.25毫米），由于表面处理（深色清漆），局部难以看到。因此，在仪器上的多个位置重复测量多次。对两个共振板系列的树木年代交叉年代显示，两者都来自同一棵树，因此它们可以平均为仪器的141年年表（图4）。

年代测定由经验丰富的树木年代学家使用汉堡大学，卢布尔雅那大学，维也纳BOKU大学，乐器和艺术品树木年代学分析实验室²⁵的参考年表以及ITRDB¹⁴中发表的年表进行。.使用了来自不同森林遗址、历史建筑、单个乐器和已知小提琴制造商的乐器收藏的 110 多个云杉参考年表，涵盖 1137 年至 2009 年期间。在 70 多个案例中，相同的结束日期 1640 被定义为²⁵，这必须被视为 qum 后的终点，这意味着电路板的树是在 1640 年之后被砍伐的（图 4）。

图4：历史小提琴的树木年轮系列，日期为参考年表。 小提琴的树木年轮系列（红线）与结束日期 1640 终点后 quem，以及奥地利²⁶ 年高海拔阿尔卑斯山看台的出版参考年表（黑色）。协议的统计参数为：OVL = 141，GLK = 63**，TVBP = 5.0，TVH = 5.6。 请点击此处查看此图的大图。

年代测定的统计参数显示，与奥地利小提琴制作者Jakob Stainer（1618/1619-1683）制造的乐器年表最吻合（OVL = 141，GLK = 66*** [99.9%置信度]⁴，²⁰，TVBP = 7.4^，TVH = 8.7）²⁵。在与奥地利和德国南部的各种年表以及奥地利和德国小提琴制造商制造的乐器约会时，也发现了相同的日期和良好的一致性。雅各布·斯坦纳（Jakob Staine）是奥地利著名的小提琴制造商，以其出色的乐器而闻名，他在维也纳因斯布鲁克以及整个欧洲¹⁷的各种管弦乐队中建造了这些乐器。

通过这种方式，提出了最有可能的小提琴制造商（车间）和木材来源的地理区域。另一方面，树木年代学无法给出更精确的日期（年份），说明该仪器在1640年之后何时或多少年建成。这取决于工匠在木工和制作仪器的过程中移除了多少年轮（从树的外部），以及木材干燥和储存了多少年。

然而，据估计，该乐器是在 1640 年后几年制造的。该假设基于以下信息：Δt区间（即结束日期和仪器制造日期之间的年数）27^，28平均为14年，Stainer的仪器¹⁷具有由各种专家检查的原始标签。

那么乐器是正品还是假货？这里展示的乐器很可能不是安德里亚·瓜内里（Andrea Guarneri）制作的，正如其中一个标签所声称的那样，尽管它是在他有生之年（1626-1698）制造的。石膏表明木材来自奥地利或德国，该乐器可能是由奥地利制琴师雅各布·斯坦纳（Jakob Stainer，1618/1619-1683）制造的，他是安德里亚·瓜内里（Andrea Guarneri）的同时代人。该仪器建于 1640 年之后，因此比标签上的铭文（1747 年和 1867 年）要古老得多。

Discussion

所提出的协议描述了小提琴树木年代学年代测定的程序。该过程包括几个关键步骤。第一个是识别树木年轮，以便正确测量其宽度。这一点至关重要，因为由于晚木含量少，树木年轮通常非常狭窄或边界不明确（步骤1.3）。木材老化、深色和不透明清漆²⁸ 或损坏、修理、修饰或污垢（步骤 2.2）可能会使树木年轮的检测变得复杂。

但是，通过使用高分辨率相机⁴，¹⁵和先进的显微镜技术来获取高质量的图像（例如，共聚焦激光扫描显微镜[CLSM]）²⁸，可以修改和改进树木年轮检测（和测量），并由允许拼接多个图像的高级软件支持^29，30.一种非常有前途且日益普及的技术是X射线计算机断层扫描（CT），它允许虚拟切割仪器并在不同视图中观察树木年轮结构³¹，^32，33。

一旦建立了可靠的树木年轮系列（步骤4.4），树木年代学年代测定随之而来。这是另一个关键步骤，因为它需要使用适当的参考年表进行约会，如步骤6.1中所述。

如前所述，树木年代学年代测定也有其局限性。首先，我们可能没有足够的参考年表，或者可能没有特定地区或时间段的年表，因此可能无法确定日期。另一个限制是树木年代学只给出结束日期（即仪器上测量的最后一个树木年轮形成的年份）。因此，必须估计制造年份（步骤6.2）。根据文献，仪器的结束日期和制造日期之间的年数从几年到几十年不等13，^23，27。

无论如何，树木年代学是一种重要的科学测年方法，基于树木年轮模式的比较，这取决于气候和树种的生理学，并得到统计数据^的支持6^，27。相比之下，其他常用的方法依赖于其他信息来源，例如仪器上的标签，这通常不可靠，以及仪器及其部件的检查。此外，树木年代学可用于树花测定，确定地理起源，以及制作乐器的制琴师或学校。

鉴于其优势以及成像技术、参考编年学网络和树滴虫方法³⁴的预期未来改进，树木年代学与其他技术相结合，有望继续成为确定和鉴定有价值和鲜为人知的制造商的弦乐器的重要工具。为了获得最佳使用效果，了解程序很重要，尽管建议专家对结果进行分析和解释。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
CDendro	Cybis Elektronik & Data AB	https://www.cybis.se	program CoDendro for dendro data management and crossdating
CooRecorder	Cybis Elektronik & Data AB	https://www.cybis.se	program CooRecorder to measure tree ring widths on images
TSAP-Win	RINNTECH	https://rinntech.info/products/tsap-win/	Time series analysis software