鋼琴弦軸板的歷史演變與材性分析

趙羚君

（沈陽音樂學院，遼寧 沈陽 110000）

1 鋼琴弦軸板的歷史演變

1.1 古鋼琴之前的弦軸板

鋼琴，被世人尊崇為“樂器之王”，其起源可以追溯至古希臘時期的獨弦琴，又稱弦音計（monochord）。據資料記載，公元前6世紀，獨弦琴由畢達哥拉斯（Pythagoras）創制，用于當時的音律審度和樂理研究。樂器的形制是將一根單弦張于長方形的共鳴箱上，琴弦兩端緊附于固定物上，并通過中間若干可移動的楔形弦碼，改變琴弦的有效長度，最終發出所需的音律音高。所以，固定獨弦的固定物就是琴栓（Tuning peg），即弦軸的雛形。

在14～15世紀，波斯地區從流行的獨弦琴發展出多弦樂器的兩大支系，即彈撥弦樂器索爾特里琴（Psaltery）和打擊弦樂器杜西瑪琴（Dulcimer），二者直接影響了古鋼琴的誕生和制作。二者音準的保持和調節都需要琴栓作為調節琴弦張力的部件。在14世紀中葉，歐洲已經具備金屬鍛造技術，促使后期音栓材質由木制改為金屬制弦軸，成為弦軸發展史上的一大進步。因此，隨著多弦樂器張力的增大和金屬制弦軸的發展，弦軸板的材質從此也正式確立為硬木（Hard wood）。

1.2 古鋼琴的弦軸板

在15世紀左右，打擊弦樂器杜西瑪琴在歐洲產生，16世紀流行于世，其發展成為擊弦古鋼琴——楔槌鍵琴（Clavichord），其樂器形制繼承的是弦音計，樂器的弦軸板被表面一層薄板裝飾覆蓋于下方（見圖1），形成了古鋼琴獨有的“整塊實木弦軸板”的結構，金屬弦軸即被植入實木弦軸板上。

14世紀左右，彈撥弦樂器索爾特里琴在英國發展成為撥弦古鋼琴——羽管鍵琴（Harpsichord），17世紀后期，它相較楔槌鍵琴更加流行于歐洲（德國除外）。羽管鍵琴同楔槌鍵琴的弦軸板類同，上面都有一層薄板覆蓋住下面的硬木實木板，金屬弦軸即被植入這塊實木板塊上。據資料記載，在樂器撥桿裝置上（Rank）上發現歷史上著名鋼琴制造家的名字，即迪爾肯（Dulcken）、舒迪（Shudi 德/英）和柯克曼（Kirckman 德/英）。但是，他們制造的羽管鍵琴都會產生一種類似鼻音的音色，究其原因，是樂器制作家為了完成在弦軸板上特別雕刻的設計，需要被記錄和插入到撥桿（Jack）上（圖2）。另外，在弦軸板上雕刻的設計內容會削弱外殼的結構作用，因此，額外附加的撥桿裝置并不能承受琴弦的拉力。所以，歷史上的失敗設計案例告訴后人，若想最大限度發揮弦軸板的本體作用——穩固弦軸和承受琴弦張力，應盡量避免在弦軸板上設計這些“多余的雕刻”。

圖1 楔槌鍵琴整木塊實木弦軸板

圖2 羽管鍵琴為了雕刻而設計的附加撥桿裝置

古鋼琴的變化體——維吉納（Virginal）、斯皮耐（Spinetta）以及立地型大鍵琴（Clavicytherium）等樂器的弦軸板基本與楔槌鍵琴和羽管鍵琴類同，直至近代第一架鋼琴誕生后，弦軸板的結構發生了細微的變化。

1.3 近代鋼琴的弦軸板

1709年，巴托洛米奧?克里斯托弗里（Bartolomeo Cristofori，1655～1732）創造首架鋼琴，即可以奏出強音和弱音的鍵盤樂器（Gravicembalo col piano e fort），近代鋼琴拉開歷史帷幕。據資料記載，克里斯托弗里將樂器的弦軸板結構設計成“倒轉弦軸板”（Inverted wrest plank）樣式，從其現存的三臺鋼琴中的兩臺可以觀測出：克里斯托弗里將弦軸按照一種不尋常的方式排列，即所有弦軸自始至終都是通過插入弦軸板而獲取支撐。所以，調音扳手都是套在弦軸上，即弦軸板的頂面上，而琴弦則被圍繞在底邊的弦軸上。如此構造雖然給修復折損琴弦帶來困難，但其優點在于前橋，即音板上的橫木條也被倒轉，弦槌在下面對琴弦實施擊弦動作時，琴弦的振動區域將會牢固且準確到位，而不是取代或是替換。倒轉的弦軸板會在樂器上使琴弦的位置更低，允許有更加小巧輕便的弦槌。因此，會相應地產生更加輕柔和敏捷的觸感。

這種倒轉弦軸板在克里斯托弗里逝世后的150年后才被發現，而現代鋼琴中幾乎也運用了同樣的原理，即弦槌靠近琴弦的發音長度的接觸點不是壓弦鈕（Agraffe）就是壓弦條（capo d'astro bar）。這些裝置對琴弦拉力的方向與弦槌擊弦的方向相反，就像克里斯托弗里對于弦軸板的原始設置一樣。

所以，鋼琴結構的發展并不是獨立演進的，而是彼此關聯又相互影響。繼克里斯托弗里之后，戈特弗里德?西爾伯曼（Gottfried Silbermann）、約翰?安德烈亞斯?施泰因（Johann Andreas Stein）、約翰?克里斯托弗?楚姆佩（Johann Christoph Zumpe）、約翰?布勞德伍德（Johann Broadwood）、塞巴斯蒂安?埃拉爾（Sebastian Erard）等鋼琴制造師們經過不斷的努力與研究，從制音音栓到延音踏板的發明，從維也納式擊弦機到英國式擊弦機直至“復震奏式杠桿”的擊弦機裝置的改進，進而到大音量音板和大張力琴弦以及金屬支架代替木制支架的發明，諸多創新樂器工藝都使鋼琴的結構得到了整體提升。因此，此后鋼琴結構的發展迎來了革命性的進步。

1.4 現代鋼琴的弦軸板

大約在19世紀50年代，現代鋼琴以施坦威家族（The Steinways）制作的鋼琴為分界點。施坦威鋼琴公司采用改進的膠拼分層弦軸板結構，即由2層膠拼的實木板結構發展到后來的4層膠拼實木板結構，并同鑄鐵支架上的筋桿一起配合和承載琴弦的絕大部分張力。這種多層弦軸板的發展趨勢不僅解決了實木弦軸板開裂翹曲的問題，而且板孔內軸向纖維的支撐也增大了弦軸板的握釘力。

20世紀上半葉，合成樹脂膠和木材加工的漸進發展促使現代鋼琴弦軸板結構的改革。到了20世紀中期，弦軸板層狀結構的設計理念得到了更深一步的拓展，即采用多層層壓結構的膠合板結構來制作弦軸板。1963年，施坦威公司申請了Hexagrip?的弦軸板設計專利（#US3091149），即6層抓柄弦軸板——分別應用于立式鋼琴（圖3-a）和三角鋼琴（圖3-b），針對木材紋理方向分別設計成有別于其他弦軸板的方案。早在1950年，多層膠合弦軸板研制成功，并在此后不久取得專利。此后，弦軸板的膠合層數逐漸增加，直至19層的弦軸板，并被不斷地應用在鋼琴中，發展成當代鋼琴弦軸板的固有形制。

圖3 -a UP —Hexagrip? (#US3091149)

圖3 -b GP—Hexagrip? (#US3091149)

2 弦軸板的材性分析

2.1 弦軸板的結構特征

弦軸板（pinblock / wrestplank）是一種由若干層薄板或單板（veneen / ply）進行高溫層壓處理，并且與毗鄰層木材紋理形成具有一定規格角度的膠合板，其作用是穩固弦軸，并同鐵支架一同承受纏繞在弦軸上絕大部分的琴弦張力。由于鋼琴的弦軸板是直接關聯音準穩定的結構部件，其材質必須具備很強的抗斷裂強度、抗壓力強度以及抗彎曲強度，因此，闊葉樹種（硬木）被全世界鋼琴生產企業公認是最適合制作鋼琴弦軸板的木材。

下面一組弦軸板的相關信息及數據來自國家標準GB/T 25457—2010 《鋼琴弦軸板》（見表1、表2）。

2.2 弦軸板材質特性分析

鋼琴結構中所使用的主要原材料為木材，除了共振板、肋木以及鍵盤等結構常使用針葉材云杉類材料外，其余包括弦軸板、碼橋以及擊弦機等結構使用的都是闊葉材——硬木材料。現列舉出國際上普遍使用的兩大類弦軸板材質，即歐洲櫸木弦軸板（Beech pinblock）、北美硬楓木弦軸板（Hard maple pinblock）。

（1） 櫸木弦軸板

櫸木，即業內所稱山毛櫸，主要產自歐洲，屬于榆科落葉喬木。其材性硬度堅固，抗沖擊、抗壓、抗彎強度優，握釘力性能佳，干燥時易出現裂紋。因此，常被用作建筑和機械制造木材。中國南方雖也盛產櫸木，即“南榆”，但國內木材市場出售的多是木質穩定的進口櫸木。

歐洲大陸的櫸木樹干直徑為600 mm～1200 mm，高度在35 m～55 m，平均樹齡為80年～120年，是生長在蒙古和俄羅斯的樺木（Birch）樹干直徑和高度的兩倍，其基材生長環境優良、周身尺寸合乎標準（見表3）。

表1 術語及要求列表

表2 尺寸與數據列表

表4 北美楓木弦軸板和歐洲櫸木弦軸板的比較列表：

由于現代鋼琴弦軸板制作工藝的差別和各個生產加工部門的要求，在層數上多以19層為準。以德國帝豪尼特（Dehonit?）制作的弦軸板為例——歐洲櫸木的材質，其弦軸板的密度由其重量決定，每一層的密度和重量逐漸遞增（首層的重量由2.65 kg、2.92 kg、2.80 kg……遞增至19層，密度由首層的0.68 g/cm3、0.75 g/cm3、0.71 g/cm3……遞增至19 層）。這樣做的優勢是最大限度地發揮出櫸木板的力學材性，使弦軸植入弦軸板內的扭力保持20 Nm的標準。

（2）硬楓木弦軸板

楓木，又稱槭木，屬于槭樹科。槭樹屬闊葉落葉喬木類別，并按照硬度可分為硬楓木和軟楓木兩種。用于樂器的木材應選用硬楓木，其材性膠合性能強，結構均勻，抗沖擊、抗磨、抗彎強度優，握釘力性能佳，干燥時易翹曲，是制作鋼琴弦軸板的常用木材。

由硬楓木材質制作的弦軸板在層壓膠合的過程中，主要是以層數計算為主導，其密度范圍較大，每一層單板較之櫸木弦軸板厚。一般情況下，薄板的層數為基數，如3層、5層、7層……19層等。當然，薄板層數也有偶數的情況發生，如施坦威鋼琴的6層弦軸板就是特例。因此，可以考慮制成類似施坦威鋼琴單板較厚、層數較少的結構的弦軸板。

施坦威鋼琴采用的硬木木材即原產自北美的硬楓木糖楓（sugar maple）材質，分布遍及美國洛基山脈東側和太平洋沿線北部，適合做鋼琴的弦軸板和擊弦機部件。根據美國農業部門森林產品實驗室數據顯示，硬楓的抗壓強度是最適合且最常被弦軸板所使用的加工材料，木材端部紋理至少要比側面紋理好3倍，且彈性也會好10 ～20倍。

圖4 施坦威鋼琴六層弦軸板專利示意圖

以F. H. WALSH為施坦威公司發明的六層弦軸板專利（Hexagrip?，US3091149）為例（見圖4），其獨特之處在于木材的紋理，即四分縱鋸徑切的6層或7層層壓薄木硬楓木原料，紋理被均勻地配置為相繼成45°、90°的層疊角度，利用木材一致的紋理方向將弦軸全部抱握住，弦軸的所有方向面都被楓木的端部紋理緊緊圍握。所以，給弦軸提供最大限度的抓握性能。這種設計會使弦軸具有更為平穩的扭矩運動以及更加均衡地保持這種堅實結構的設置。

櫸木弦軸板在密度上的均勻性決定了其材質在力學強度方面的突出特性，并由密度為計算主導來增強弦軸板的材質性能；而楓木弦軸板在密度范圍大的基礎之上，依靠每層層壓板不等厚的尺寸以及每層單板紋理方向與毗鄰層的相對面中的紋理的角度設置，用6層、7層以及9層等較少層數的層壓板，通過減少膠層來實現弦軸板的力學性能。

2.3 弦軸板的材質特性考量

以下是筆者從廣州珠江鋼琴廠和營口西爾伯曼鋼琴廠經過實地考查，針對弦軸板材質特性進行測試的過程和結果，所測弦軸板的材質均來自歐洲櫸木。

因為各個鋼琴廠從原材料工廠引進的多層層壓膠合板后，仍需對大板再次進行含水率的測試、測量、烘干，甚至是人工干燥。因此，弦軸板的再加工程序和組裝過程需伴隨弦軸的三次扭矩測試（弦軸板材質特性考量），此過程直至鋼琴出廠前才得以結束。

鋼琴的弦軸板大板經過開鋸成型、機器膠合（立式鋼琴弦軸板甲板，即多層層壓膠合板與弦軸板底板 / 弦軸板后方的墊條膠粘）、鉆孔定位、碼克連接、固定支架以及木圈安裝的加工過程后，需進行第一次弦軸扭矩測試。具體方法為：使用專用設備對弦軸板進行鉆孔，并于每音區植入1至2個弦軸進行弦軸扭矩測試，符合工藝要求（18 Nm～22 Nm，180 kgm ～220 kgm）方可進行整臺鋼琴弦軸板鉆孔工序；不符合工藝要求需針對具體情況進行鉆頭的更換（扭力過大，需更換更大直徑的鉆頭；扭力過小，需更換更粗的弦軸）。當鉆孔工序和掛弦工藝程序完成之后，因弦軸扭矩在琴弦拉力的作用下會發生變化，因此，需要進行第二次扭矩測試。測試的結果應較第一次測試低，工藝標準為（16 Nm ～20 Nm，160 kgm～200 kgm）。此外，由于鋼琴在出廠前需經過7次調律（3次拔音和4次調律），當最后一次調律結束后，需對弦軸進行最后一次扭矩測試，并確保達到國家標準（≥15 Nm，≥150 kgm）。

2.4 弦軸板材性考量結果

以廣州珠江UP118為第一次扭矩測試產品（見圖5）。測試設備為扭矩扳手（扭矩單位：Nm），弦軸直徑6.9 mm，鉆頭直徑6.2 mm。

以營口西爾伯曼UP123為三次扭矩測試產品（見圖6）。測試設備為扭矩扳手（扭矩單位：kgm），弦軸直徑6.9 mm，鉆頭直徑6.3 mm。

圖5 弦軸第一次扭力測試

表5 弦軸第一次扭力測試

表6 弦軸三次扭力測試結果

圖6 弦軸第三次扭力測試

3 結語

弦軸板作為鋼琴制作工藝中與音準穩定性最為密切的結構部分，其歷史演變與材性革新促進了鋼琴的整體發展。筆者希望把鋼琴弦軸板的結構和材性進行的系統分析，能夠為調律師們在專業技術方面提供更寬廣的理論依據。

[1] F.F.P.科爾曼.木材學與木材工藝學原理[M]. 北京：中國林業出版社，1984.

[2] 周巍.西方鋼琴藝術史 [M].上海：上海音樂出版社，2003.

[3] 魯思?米德格雷.世界樂器[M]. 北京：中國青年出版社， 2004.

[4] 王秀根.弦軸和弦軸板[J].《樂器》，1991（4）.

[5] GB/T 25457—2010，中華人民共和國國家標準∶鋼琴弦軸板[S].

[6] F. H. WALSH,STEINWAY&S O N S,WRESTPLANKS. Hexagrip?∶ US,3091149 [P].1963-05-28.