論鋼琴弦軸的松緊

金先斌，譚漢立

（北京中加合資海資曼鋼琴有限公司，北京 100086）

琴弦的發音要素之一即必須張緊琴弦。當弦的直徑、長度不變時，音高取決于弦的張力，而調整琴弦張力的手段即是扭轉弦軸。換言之，音準的調校是通過扭轉弦軸，繼而改變琴弦張力來實現的。由此可見，弦軸松緊是否適度是衡量鋼琴質量的重要指標之一。弦軸過松，導致調律無法進行，故當前市場上弦軸松動的鋼琴已基本絕跡。而對于弦軸過緊或有“跳進”現象的鋼琴尚可調試，故弦軸過緊的鋼琴在市場上普遍存在，大家多是認為“新琴的弦軸緊點好，調試幾年后，弦軸過緊的問題自然消失”，這是認識上的誤區。

本文針對弦軸松緊的問題，從理論到實踐，再到實驗進行了實物操作研究。盡管筆者有從事鋼琴調律工作半個多世紀的職業經歷，但得出的實驗結論亦讓筆者感到吃驚。這個結論即是：調律的次數多少對弦軸松動的影響近乎為“零”。

立式鋼琴的弦列設計在“鋼琴鐵板”上呈現交叉分布，近20 t的弦張力通過弦軸板作用在鐵板上。由220多根琴弦組成的弦列，竟然通過弦枕懸浮在鐵板的表面（離開鐵板約10 mm）。這不但使鐵板產生了向前彎曲的力，還由于弦列交叉排布形成兩邊向中間彎曲的力，弦軸板不但起到穩固弦張力的作用，還起到防止鐵板橫向變形的“龍骨”作用。

1 弦軸板

弦軸板是音準和音準穩定的核心部件。

弦軸板由密度大的優質木材制成。現代鋼琴300多年的發展歷史證明，再優質的木材，也不能承受近20 t的琴弦張力，以及弦軸扭轉產生的回轉阻力矩。在早期的鋼琴制造業，曾試用過金屬、塑料、層壓膠布板作弦軸板原料，但均未獲得成功。迄今，還沒找到比多層木質膠合板更具優勢的替代品。上世紀五、六十年代，國內鋼琴生產均采用5～7 層的膠合弦軸板。由于出材率過低以及材料受氣候溫濕度的影響，導致因弦軸板出現質量問題而致弦軸松動現象屢屢發生。自上世紀70年代后期，鋼琴生產開始采用多層（19層）膠合板軸板，因其出材率高、環保、不變形、較少受溫濕度影響的優勢，而被鋼琴制造業普遍采用。自上世紀80年代以來，我國主要鋼琴廠均已采用此類型膠合軸板，但由于軸與孔的配合未做調整，致使弦軸出現過緊現象。雖然多層膠合軸板具備諸多優點，但由于膠液充塞了木材的毛細管孔，導致木材彈性下降。

弦的張力通過弦軸作用到弦軸板上形成三種力：一是沿琴弦方向產生的拉力；二是直徑大于軸板孔徑的弦軸栽入軸板后產生的壓力；三是由于琴弦纏繞在弦軸上，弦的張力使弦軸形成回轉阻力矩。回轉阻力矩的大小，不僅與弦的張力有關，還與軸和孔之間的摩擦力有關。而摩擦力又與軸板木材的密度，軸表面紋牙的狀態、潔凈程度，軸板鉆孔時孔壁是否焦糊，以及弦軸的直徑與軸孔徑的配合、軸栽入孔內的深度等因素有關。這些材質、工藝問題并非復雜問題，假設以上問題均達標的前提下，調律時松緊適度的弦軸回轉阻力矩相關力學參數是可以計算出來的。前蘇聯學者H?A?捷亞科諾夫在其所著《鋼琴制造》一書中指出：“現代鋼琴弦的最大張力可能相當于175 kg①。當弦軸直徑為7 mm，弦直徑為1.2 mm時，最大張力矩（回轉阻力矩見圖1）為”

顯然，此張力矩是弦張力與弦軸回轉阻力矩的臨界點。如此看來，在實際應用中，這個回轉阻力矩需加以修正。根據實踐及實測數據，將回轉阻力矩增加50%較為適宜：

71.75 × 1.5 kg= 107.6 kg（100 kg～120 kg）

當軸的直徑加大或軸孔過小時，回轉阻力矩必然加大，弦軸即呈現過緊狀態。這不但不利于調律，也不利于鋼琴的音準穩定。且軸徑過大時，軸孔壁易出現“跳進”現象（孔壁焦糊時亦會出現跳進問題），繼而孔壁的木材纖維被破壞，反而在后期更易出現弦軸松動的問題。因此，如何使軸徑與孔徑達到合理配合狀態，成為弦軸松緊適度的關鍵所在。

在鋼琴生產企業，對于軸徑與孔徑的配合工藝多加以保密。其實，軸徑與孔徑的配合與軸板密度、鉆孔工藝、空氣濕度密切相關，即使達到最佳配合狀態的軸、孔配合，也不是一勞永逸和一成不變的。不同批次的軸板，材料密度亦或不同，鉆頭磨削不當及更換都可能導致阻力矩的變化，故經常使用力矩扳手進行測定應作為工藝規程（有外國著名廠家透露，軸孔配比以7∶6.8 為宜）。有一點應統一認識：弦的張力與弦的回轉阻力矩有直接關系，但兩者并不相等。因為，若弦從弦軸中心通過，頂端用螺絲固定，則其回轉阻力矩必為零，而只存在琴弦張力作用在弦軸上的“切向力”。

圖1 弦軸回轉阻力矩示意圖

2 調律時弦軸轉動的幅度

在對鋼琴進行調律時，弦軸被扳手扭轉的幅度有多大，此數據尚無可查證。對此，筆者進行了實際測量。由于弦長不同，調律時同樣升高半音，弦軸轉動的幅度亦不同。測定結果顯示：當提高半音時，從A2～a（一號鍵至37號鍵），弦軸轉動幅度約為8°，從a1～a2約需扭轉6°，從a2～a3約需扭轉4°，從a3～a4約需扭轉2°。如圖2所示，當小字一組a1音高提升小二度，弦軸旋轉約為6.5°。弦軸轉動幅度的測量難以做到精確，因為弦軸轉動的初始階段存在彈性變形，且因弦軸的松緊狀態不同，變形大小不盡相同。但此項測試僅為證實在調律過程中，弦軸轉動的幅度不大，似無精確的必要。

圖2 弦軸扳手旋轉角度示意圖

3 弦軸轉動對孔壁的磨損

在調律實踐中，很少有提高半音（100音分）的情況，音高變動范圍多為20音分左右。由此看來，每次調律弦軸轉動3°更為適當，按每年調律2次為計，60年調律需要調律120次，則由此大致推算弦軸總體轉動角度為：2×120×3°=720°，即正常情況下，鋼琴使用60年，僅相當于弦軸轉動二周。

在實踐中，調律時斷弦現象時有發生，中高音區更換一次新弦，通常要將弦軸倒退三周半，換好后把音調準，還需將軸在正轉三周半，即換一次琴弦需要把弦軸轉動7周。但實踐中，尚無換好弦后軸即松動的實例。客觀地講，將弦軸轉動7周必然對軸的松緊造成影響，但由于影響很小，遠不足以達到更換弦軸的程度。

近20年來，全國各類調律培訓班紛紛開辦，調律教學用琴的弦軸幾乎天天處于調試練習狀態，尚無一例弦軸松動的現象。為進一步了解弦軸轉動對弦軸板磨損的情況，筆者選擇4架“148”型三角鋼琴及“133”型、“132”型、“120”型立式鋼琴，琴體采用進口弦軸板，并在中音區域選擇10個未纏繞琴弦的常規弦軸，分別做“十個回合”的扭矩實驗數據測試，共取得728個數據。此實驗已將弦軸轉動對軸孔磨損的測試做到“極致”：每架鋼琴選出10個弦軸，將每個弦軸作順時針和逆時針旋轉各10周，即每個弦軸旋轉20周（應為800個實驗數據，最后一架鋼琴因故未做完測試）。弦軸回轉阻力矩變化數據見表1：

表1 弦軸回轉阻力矩變化數據實驗測試表 （單位：kg）

由上表可以看出如下問題：

（1）即使選用進口弦軸板，在時間、鉆孔條件和軸孔配比相同的情況下，弦軸的回轉阻力矩亦不相同。這種差距形成的原因可能有兩個：同一樹種的木材密度不可能完全一致；不排除同一批次弦軸的軸徑有微小差異。因此，為觀察不同阻力矩在轉動20周后的狀況提供了有益的參考；

（2）上表的差值變化及累計差值為：松軸與松軸對應，緊軸與緊軸對應。松軸即逆時針旋轉，緊軸即為順時針旋轉；

（3）“1回合”為先逆時針旋轉一周（松軸），再順時針旋轉一周（緊軸）。各回合數據均為“緊軸”比“松軸”阻力矩小，這是因為松軸一周，弦軸退出約3 mm，故緊軸初始的阻力矩小于松軸的阻力矩；

（4）從前三回合的累計誤差看，“松軸”的阻力矩下降19 kg，而總體下降值為25.5 kg，說明初始回轉阻力矩過大，則阻力矩下降的幅度加大。由此證明，阻力矩過大時，存在孔壁被破壞的現象；反之，表中“2軸”初始阻力矩僅為120 kg（接近合理阻力矩），20周后僅下降20 kg（松軸）和25 kg（緊軸），且下降到85 kg時手感并不覺得松動。

（5） 表1中第6回合回轉阻力矩較第5至第2回合加大，是因其間實驗操作有所停頓。

4 結論

（1）當弦軸回轉阻力矩適當時，調律時弦軸的轉動對軸孔壁的磨損微乎其微。年久的舊琴，弦軸松動是弦軸板木材老化、干燥失去彈性所致。新琴的弦軸過緊會破壞孔壁的木材纖維，無助于后期弦軸的緊固；

（2）弦的張力與弦軸的回轉阻力矩有關，但弦的張力不等于阻力矩。根據現代鋼琴琴弦的最大張力、阻力矩不應大于100 kg～120 kg。力矩扳手所測得的數據為弦軸的回轉阻力矩，并非弦的張力；

（3）多層弦軸板是當下最優選的軸板之一。多層膠合工藝軸板不僅強化了木材的纖維，更加強了其抵御潮濕的能力，使其耐候性大大增強。只要膠質不老化、分解，則不會出現木材纖維老化松脆失去彈性的問題；

（4）由于多層板所含膠液通過熱壓固化后，減少了木材纖維的彈性，故而對軸與孔的配合要求更為嚴格，建議應將每批琴以力矩扳手進行阻力矩的檢測納入工藝規程。

弦軸過緊導致琴的品級降低，解決問題的關鍵在于找到適合的弦軸回轉阻力矩，只要軸板合格，調整軸與孔的配比即可取得適當的阻力矩。我國已成為世界鋼琴生產大國，只要扎實地把每個細節做到精益求精，鋼琴強國之夢終將成為現實。

注：

① 通常“張力”、“力矩”均應以“牛頓”為單位，因上世紀50年代出版的《鋼琴制造》為我國最早的鋼琴技術文獻，文中的張力、力矩均以kg為單位，故延用至今，1 kgm=9.866 Nm。