有關(guān)樂器聲學(xué)與新型鋼琴聲源結(jié)構(gòu)的探索

馬曉婕 馬曉嬋

（大同大學(xué)音樂學(xué)院，山西 大同 037009；大同北岳中學(xué)，山西 大同 037044）

有關(guān)樂器聲學(xué)與新型鋼琴聲源結(jié)構(gòu)的探索

馬曉婕 馬曉嬋

（大同大學(xué)音樂學(xué)院，山西 大同 037009；大同北岳中學(xué)，山西 大同 037044）

在物理學(xué)中，聲學(xué)是發(fā)展最快、內(nèi)容最豐富、理論最完備的學(xué)科之一。在古代的東、西方，音樂與聲學(xué)，實(shí)際上是同一個(gè)門類的學(xué)科，而今天卻被人為地劃分為兩個(gè)完全不同的學(xué)科，“聲學(xué)”實(shí)際上是在音樂這塊肥沃的土壤中產(chǎn)生的。本文將從樂器制作的角度探討樂器的發(fā)聲以及相關(guān)的聲源結(jié)構(gòu)。

樂器聲學(xué)；新型鋼琴；聲源結(jié)構(gòu)

一、聲學(xué)典籍中有關(guān)樂器的記載

在我國古代的典籍當(dāng)中，有關(guān)于聲學(xué)的文獻(xiàn)相當(dāng)豐富，這些文獻(xiàn)資料同時(shí)也是音樂文化的典籍。內(nèi)容主要有音樂史、音樂理論、樂器史、樂律學(xué)、樂器制造及演奏等方面。《四部全書》中經(jīng)部的《書》、《詩》、《周禮》、《禮記》、《春秋左傳》等都能在其中找到與聲學(xué)有關(guān)的早期內(nèi)容；史部中的《律歷志》或《音樂志》是必讀的聲學(xué)史料；子部藝術(shù)類的音樂之屬是與律學(xué)、樂器學(xué)、音樂聲學(xué)關(guān)系密切的著作。

樂器的制作離不開聲學(xué)原理，我們都知道，凡是聲音都具有高低、強(qiáng)弱、長短、音色等特性，一件樂器所使用的物質(zhì)材料不同，那么它所發(fā)出的音色也就不同。在物理學(xué)上，音色與發(fā)聲頻譜、波形、振幅有關(guān)。《禮記·樂記》中敘述了金、石、絲、竹、革五種物質(zhì)材料做成的樂器音色：“鐘聲鏘”，“石聲磬”，“絲聲哀”，“竹聲濫”，“鼓鼙之聲讙”。早在戰(zhàn)國時(shí)期就有人對“中聲”進(jìn)行過討論，“中聲”其實(shí)就相當(dāng)于我們現(xiàn)代鋼琴中央?yún)^(qū)的發(fā)音問題。在戰(zhàn)國末期成書的《呂氏春秋·仲夏紀(jì)·適音》中有這樣的觀點(diǎn)：“夫音亦有適”；“太鉅、太小、太清、太濁”，“皆非適也”。只有高、低、強(qiáng)、弱適中的音才能稱之為“中聲”。從這些記載來看，我們可以知道當(dāng)時(shí)的人們規(guī)定“中聲”有兩個(gè)必備因素：高低、強(qiáng)弱。

二、樂器制作中的選材

北宋的沈括在《夢溪筆談》中總結(jié)了琴材特性與琴的音色密切相關(guān)，同時(shí)他也第一個(gè)認(rèn)識到材料的傳聲沒有選擇性，它可以傳播任意音調(diào)的聲音。他的“材中自有五音”，是指物質(zhì)材料本身能發(fā)出諸多樂音。“又應(yīng)諸調(diào)”是指該材料能夠傳播各種調(diào)式的聲音。任何一種天然材料都有能傳播聲音的特點(diǎn)，如果沒有這一特點(diǎn)，琴弦發(fā)出了聲音，而它的面板材料不予傳播，共鳴箱體不與之呼應(yīng)，那這種聲音將是音樂欣賞中的一大悲哀。在沈括后，宋王室之子趙希鵠在其著《洞天清錄集》中詳細(xì)敘述了琴材與其發(fā)聲的關(guān)系。琴聲效果與其選用的木料的關(guān)系，就像今天選購鋼琴，總要仔細(xì)挑選鋼琴各方的面板是否“紋理?xiàng)l條如絲線密達(dá)而不邪曲”。如果面板好，琴槌和琴弦又沒毛病，那么這鋼琴的音質(zhì)、音色就屬上乘。

不同的樂器都有其所要求的不同材料，沈括和班固都注意到了這一問題，為什么古人制樂器，用銅制鐘、用石制磬？在《漢書·律歷志》中，該書作者班固征引劉歆的話：“銅為物之至精，不為燥濕寒溫變其節(jié)，不為風(fēng)雨暴露改其形。”這句話前半句意思是：銅不因溫度和濕度的變化而發(fā)生脹縮現(xiàn)象。這顯然不對，因?yàn)殂~的膨脹系數(shù)比鐵大，按此原理，應(yīng)該是“鐵為物之至精”。然而當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們正確地看到，鐵容易生銹，其危害要大于銅的熱脹冷縮。同理，現(xiàn)代鋼琴中的高、中音琴弦都由鋼絲制成，低音琴弦由鋼絲加紫銅纏絲制成，而非選用其他金屬制。

三、樂器與振動(dòng)

我們從分析樂器入手，從物理學(xué)角度來認(rèn)識一下物體的振動(dòng)。古代中國人早在春秋末期已經(jīng)知道聲音的來源及音調(diào)的高低是由振動(dòng)決定的。《考工記·鳧氏》在述及鐘體的設(shè)計(jì)與制造時(shí)，曾寫道：“薄厚之所振動(dòng)，清濁之所由出。”這說明最晚在公元前6世紀(jì)下半葉到公元前5世紀(jì)初已有“振動(dòng)”一詞，而且人們已將“振動(dòng)”現(xiàn)象與鐘壁厚薄、音調(diào)的高低聯(lián)系起來，正確地認(rèn)識到它們?nèi)咧g的關(guān)系：鐘壁的厚薄決定了其振動(dòng)的緩與烈或振幅的大與小，而這又是音調(diào)高低的依據(jù)。由此可見，振動(dòng)產(chǎn)生聲音的看法，對古代中國人來說并不陌生。

古代人們創(chuàng)制了很多弦樂器，他們都有著豐富的調(diào)音經(jīng)驗(yàn)，在長期的實(shí)踐中，他們都遵循一個(gè)弦振動(dòng)原理，弦長、張力、絲線的密度與弦振動(dòng)的頻率密切相關(guān)，改變弦長、張力、絲線密度中的任何一個(gè)因素，弦振動(dòng)的頻率都會(huì)發(fā)生變化。尤其是對同一弦線來說，當(dāng)張力固定不變時(shí)，弦上音調(diào)的高低僅僅決定于所取弦長。這正是古代樂律學(xué)和定律法的物理依據(jù)。宋代何薳《春渚紀(jì)聞》說：“緩其商弦，與宮同音。”改變弦的張力就可以改變其音。古代文獻(xiàn)中大量的有關(guān)記載，表明古人在演奏實(shí)踐與理論中都認(rèn)識到張力與音調(diào)的比例關(guān)系，準(zhǔn)確地說，音調(diào)與張力平方根成正比。他們還直接將線密度看做弦粗細(xì)，并做了一系列的規(guī)定，以組成弦線的絲數(shù)保證其粗細(xì)有序。早在戰(zhàn)國時(shí)期，人們就以文字的形式記錄了音調(diào)與線密度的比例關(guān)系，準(zhǔn)確地說，音調(diào)與線密度平方根成反比。唐代司馬貞指出：“宮弦最大，用八十一絲”；商弦“用七十二絲”；角弦“用六十四絲”；徵弦“用五十四絲”；羽弦“用四十八絲”。他所記述的是古代傳統(tǒng)定弦粗細(xì)的方法，各音所在弦的絲數(shù)與其三分損相生的長度值相同。此外，古人還以“纏弦”法解決線密度問題。沈括曾指出：“琴中宮、商、角皆用纏弦，至徵則改用平弦”，“琴雖增少宮、少商，然其用絲各半本律”。纏弦即指在弦線外再用線纏繞之；平弦指不再外加纏弦的弦。弦樂器的低音用纏弦，這個(gè)方法被今天的鋼琴等弦樂器所普遍使用。

四、鋼琴的發(fā)聲原理

眾所周知，鋼琴是一種擊弦打擊樂器，在它的制作過程當(dāng)中，很好的把科學(xué)性和音樂性融合在一起。鋼琴制作師在鋼琴上采用了以弦槌擊弦發(fā)音的機(jī)械裝置，這一裝置是手指通過觸鍵來直接控制琴聲的變化，使鋼琴的聲音更富有表現(xiàn)力，同時(shí)極大地豐富了鋼琴的音響效果。所以早期鋼琴的標(biāo)志與象征便是弦槌擊弦發(fā)音。后來制造師對擊弦機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的改革，在原來的機(jī)械當(dāng)中，安裝了一種起動(dòng)杠桿，這種裝置與現(xiàn)代擊弦機(jī)的復(fù)震杠桿系統(tǒng)幾乎是一樣的，它可以使擊弦的速度提高到原來的10倍，可以連續(xù)的快速彈奏；并且擴(kuò)大了音域，增加為4組。我們可以把它看作是現(xiàn)代鋼琴的雛形。簡單的說，鋼琴的發(fā)聲原理就是用手操作鍵盤驅(qū)動(dòng)打擊鋼絲線產(chǎn)生聲音，可以通過踏板的方式調(diào)輕聲音或使之持續(xù)不斷。

鋼琴發(fā)音原理最簡單的解釋便是，手指觸鍵通過機(jī)械傳導(dǎo)的榔頭去擊弦而發(fā)音。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，當(dāng)我們彈某一個(gè)鋼琴鍵時(shí)，和它相對應(yīng)的弦槌則會(huì)被帶動(dòng)去敲擊相對應(yīng)的琴弦，從而引起琴弦的振動(dòng)。這一振動(dòng)通過弦碼，傳遞到音板和響板上，響板是鋼琴琴體內(nèi)最后面的一塊大的金屬鋼板，它會(huì)使聲音產(chǎn)生雙重共鳴，聲音通過響板反射并且擴(kuò)大出來。音板是一塊比較大的薄木板，當(dāng)琴弦振動(dòng)時(shí)，音板表里兩面的空氣就會(huì)形成疏密不均的波，這就產(chǎn)生了我們感官上所能聽到的音。琴弦振動(dòng)包括全弦振動(dòng)與分段振動(dòng)兩種，全弦振動(dòng)所產(chǎn)生的是基音，分段振動(dòng)所產(chǎn)生的是諧音。諧音的多少以及其相對的強(qiáng)度決定著一架鋼琴音色的優(yōu)劣。

弦槌對鋼琴音色來說也是極為重要的，一副好的弦槌可以在很大程度上改善鋼琴的音色。弦槌的作用是使鋼琴上的共振系統(tǒng)，由理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，鋼琴的音色在很大程度上取決于槌頭擊弦的位置。通過長期的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)師們對中音以下的琴弦的擊弦點(diǎn)做了規(guī)定，他們通常把擊弦點(diǎn)定在弦長的1/8處。這個(gè)擊弦點(diǎn)并不適用于較高的音，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從中音向高音，擊弦點(diǎn)這個(gè)數(shù)字應(yīng)該逐漸成為一個(gè)較小的分?jǐn)?shù)，在最高音的時(shí)候，一般會(huì)采用1/14到1/16的點(diǎn)位。

我們都知道琴弦是鋼琴的聲源，但是音板的作用也是不容忽視的，如果沒有音板對琴聲的共鳴和反射，我們聽到的聲音將會(huì)是微弱的鋼絲振動(dòng)的聲音。正是因?yàn)橛幸舭澹慕Y(jié)構(gòu)、選材以及制作工藝才使鋼琴發(fā)出優(yōu)美的聲音。例如：古箏和古琴、長笛和竹笛音色完全不一樣，就是因?yàn)樗鼈冇兄煌牧系墓舱耋w。世界上沒有兩塊完全相同的材質(zhì)，同樣也就不可能有兩件音色完全一樣的樂器。而就手工制作來說，更不可能有完全一樣的手工工藝。因此，音板的好壞決定著鋼琴音色的優(yōu)劣。而音板的好壞則取決于它的材質(zhì)和加工過程的制作工藝。

我們前面說過，鋼琴的音色要受琴弦分段振動(dòng)所產(chǎn)生的諧音的影響，而這個(gè)諧音也同時(shí)受到音板和弦碼的影響，比如音板各部位的薄厚、框架的固定程度，肋木的安裝位置、粗細(xì)、數(shù)量、以及兩端的形狀，弦碼材質(zhì)的軟硬、形狀、高度、銜接部位的連接方式等等，都影響著音色。由于弦碼、肋木、音板振動(dòng)、手工制作的復(fù)雜性，導(dǎo)致世界上沒有一架音色完全相同的鋼琴。

五、關(guān)于新型鋼琴聲源結(jié)構(gòu)的探索

當(dāng)前，國內(nèi)外都普遍采用在碼橋上使用的弦碼釘，鋼絲經(jīng)過弦碼釘處會(huì)形成一個(gè)角度，鋼絲經(jīng)過弦碼時(shí)有一個(gè)向下的壓力來達(dá)到發(fā)聲。比如在一個(gè)名稱為“立式鋼琴音源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的申請文件中，描述了這樣一個(gè)技術(shù)方案：包括鐵排、琴弦、弦軸釘、弦軸板、音板、肋木和碼橋，218個(gè)弦軸釘分別固定在弦軸板上，弦枕包括高音上弦枕、高音下弦枕、中音上弦枕、中音下弦枕I、中音下弦枕II、低音上弦枕，碼橋包括中高音區(qū)碼橋和低音區(qū)碼橋，中高音區(qū)碼橋和低音區(qū)碼橋上共設(shè)有上下兩排釘，琴弦的一端固定在弦軸釘上，另一端固定在鐵排下弦釘上，琴鍵標(biāo)號1號至琴鍵標(biāo)號30號對應(yīng)的弦軸釘位于低音區(qū)，琴鍵標(biāo)號31號至琴鍵標(biāo)號58號對應(yīng)的弦軸釘位于中音區(qū)，琴鍵標(biāo)號59號至琴鍵標(biāo)號88號對應(yīng)的弦軸釘位于高音區(qū)。

在實(shí)際安裝過程中，由于發(fā)音板震動(dòng)頻率有限，使鋼琴的發(fā)聲無法完全釋放出來，限制了鋼琴的音色。

為了解決這個(gè)問題，我們設(shè)計(jì)了一種用于鋼琴的聲源結(jié)構(gòu)，可以減少低音琴弦對聲源音板所產(chǎn)生的壓力，從而使鋼琴的音板得到更充分的震動(dòng)。這種聲源結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案為：碼橋下端安裝有一彈簧層，彈簧層由若干彈簧構(gòu)成，每個(gè)彈簧的鋼絲外均套接有硅膠套，每個(gè)彈簧都豎直安裝，上端通過上螺紋桿與碼橋下底面螺紋連接，下端通過下螺紋桿與音板上地面螺紋連接，碼橋上端設(shè)有弦碼和琴弦，琴弦通過過橋結(jié)構(gòu)與弦碼相連，過橋結(jié)構(gòu)包括支架、琴弦固定軸和卡扣，支架通過螺栓固定在弦碼上，支架為弧形結(jié)構(gòu)，兩端設(shè)有凸起的弧形支點(diǎn)，卡扣位于支架上方，琴弦固定軸外套接有軟膠套，卡扣內(nèi)設(shè)有琴弦固定軸，琴弦設(shè)置于內(nèi)卡扣并通過琴弦固定軸進(jìn)行固定。軟膠套上設(shè)有琴弦固定槽，與琴弦大小相匹配。卡扣為金屬構(gòu)件，呈彎鉤狀。

這樣的聲源結(jié)構(gòu)可以減少低音琴弦對聲源音板所產(chǎn)生的壓力，使鋼琴的音板得到更充分的震動(dòng)。在實(shí)際制作過程當(dāng)中，還可以進(jìn)行一些合理的改進(jìn)。■