鋼琴音板的木材特性分析

盧向忱

摘 要：作為鋼琴的主要特性之一，其音質是決定鋼琴品質好壞的重要因素。鋼琴音質則取決于鋼琴音板的特性，音板的木材特性能夠直接決定一架鋼琴的品質。通過分析木材的特性，可以選出更為適合制作鋼琴音板的木材品種。本文主要針對鋼琴音板的組成與功能、共振板的選材和結構特征、云杉木材的聲學特性展開分析，說明了選擇鋼琴音板應當綜合考慮木材的特質，科學選擇。

關鍵詞：鋼琴 音板 木材特性

鋼琴的音質與鋼琴音板有著最密切的關系，而進行鋼琴音板制作的木材特性則決定了其的質量優劣。那么究竟選擇怎樣的云杉木材才能制作出高品質的鋼琴音板呢？本文主要就鋼琴音板制作的結構、音板的選材、云杉木材結構和聲振動特性、以及木材振動中對鋼琴聲音影響的幾個重要的參數等相關問題作出闡述與分析。

一、鋼琴音板的組成與功能

臥式鋼琴的音板和立式鋼琴的音板形狀上的區別較大，但選材與結構都相同。音板結構包括共振板在內的弦碼、肋木以及音板框這四個部分。①本文主要就鋼琴音板組建過程中的主體這一部分-共振板的木材性能進行闡述與分析。

（一）共振板的結構

共振板是由寬度為100～150毫米徑切的云杉木板粘合而成的長方形。一般立式鋼琴共振板的尺寸為1000毫米×l400毫米，臥式鋼琴為1400毫米×2300毫米，厚度一般為7～10毫米之間。此外，共振板必須呈弧面，其凸面粘有弦碼，凹面粘有肋木，使共振板兩側達到力的平衡。

（二）音板的功能及其所具有的作用

作為鋼琴的主要組成部分，鋼琴的音板可將弦碼接受琴弦的振動能量向空氣中進行傳播，以達到強化音量的作用；此外，優質的音板還具有濾波器的作用，它能夠將雜音濾掉從而得到和諧悅耳的音色。因此，作為音板的主要組成部分的共振板，其承擔著接受聲波并傳導聲波的主要功能。所以，共振板的選材、制作工藝會直接影響鋼琴聲音傳導性、均勻性、協調性和延展性等。

二、共振板的選材及結構特征

（一）共振板的選材

制作共振板的主要木材是云杉。云杉為耐陰性較強的樹種， 喜寒冷與冷濕的氣候，在高緯度的寒帶、寒溫帶至低緯度的高山的陰坡、半陰坡和谷地形成純林。目前，全世界范圍內遍布云杉40多種。而中國則是擁有云杉植物種類最多的國家，這其中有大約一半的不同種類的云杉分布在我國的東北、華北、西北、西南及臺灣的山地及亞高山地帶，尤以橫斷山地區種類最多，木材蓄積量豐富。根據葉的形狀、葉上氣孔線的多少和有無，可將云杉屬分為3組：①云杉組；②麗江云杉組；③魚鱗云杉組。②

（二） 云杉木材的自身結構特性

云杉是一種樹干高而直、枝節少、紋理通直、材質較為松軟、中等密度的木材。仔細觀察后您會發現，云杉這種木材的結構不但細致而且非常均勻，于其上普遍有樹脂道，而木材的顏色則主要集中在乳白、淡黃、棕紅色這三種。其非常容易加工，且邊材與中心材的材質區別并不是很明顯，同時還具有極好的共鳴特性。其中一種生長在中國北方森林中名為白松又稱魚鱗松的云杉，人們對其進行測試后發現，其順紋傳聲的速度可以達到一秒內5166米。還可對3000-5000高頻率/秒的發音進行阻隔。（參見胡揚吉、陳善詳《鋼琴的音板結構及其聲學品質》，《聲學技術》2008年第四期）。另外，人們還在歐洲中部地區和東部地區發現了具有同樣共振優越性的云杉。正是由于云杉所具有的這種優質共振特性，所以非常適合被用于制作鋼琴音板。③

音板的選材，不僅對云杉木材基本結構屬性有充分的認識，還必須運用木材振動性質合理的評價各樹種木材聲學性能，以指導鋼琴共振板的合理選材。

三、云杉木材的聲學特性

（一）木材進行振動的基本方式

通過研究人們發現，木材進行振動的方式主要有三種：一是木板縱向振動情況。此時，振動的質點會隨著移動方向的變化并平行的與介質內因力的方向發生振動。其的振動頻率保持在fr上進行共振，同時也會在fr頻率的整數倍上發生共振，不過此時的振動被人們稱為高次諧的振動。二是木板橫向振動情況。所謂橫向性的振動是在振動質點出現位移情況時與應力方向發生相互垂直運動時所產生的振動。人們也將橫向振動稱為彎曲運動；三是逆轉的振動。此振動方式為，當震動的元素出現位移時，會向其周圍試件的長軸進行周期性回轉而引發的。一般情況下，樂器木材上的振動多為橫向的彎曲振動，其中鋼琴的音板振動便屬于此一類型④。因此，在鋼琴制作的過程中，將共振板木材的振動做到最佳是根本。而木材共振主要是靠發音的強度和內在摩擦力所決定的。其中音響系數越大，則共振性能越強。在受到外界力的沖擊下，木材便可根據自身的振動輻射發出音來，即我們所聽到的動聽音樂。

（二）影響木材振動的幾個參數

木材振動的幾個參數包括：相對密度、動彈性模量、聲輻射品質常數、生長輪寬度、晚材率等幾個主要參數，它們的不同變化對鋼琴聲音產生重要的影響。

1.木材相對密度

密度是某一物體單位體積的質量，通常以g/cm3或kg/m3表示。其與含水率存在著一定的關聯性，不同含水率下，密度是不同的。據此，人們用三種方式進行表示。

（1）基本密度：

基本密度=■g/cm3

（2）全干密度：

試材的全干質量對全干體積的比值，即：

全干密度=■g/cm3

（3）氣干密度：

通常是指在氣干后木材的含水率為15%時的密度。

氣干密度=■g/cm3

木材的相對密度是一個比值，與木材密度相同。如，某木材氣干材的密度0.278g/cm3，水在4℃時的密度是1g/cm3，將二者相比，得0.278，這表明其的相對密度是0.278。⑤

2.動彈性模量

動彈性模量分為縱波動彈性模量（公式為：EL= 4L2f2m pm2 ）和橫波動彈性模量（公式為：EF=48∏p L4f2m /（m2 T2）。⑥木材動彈性模量的數值，則是衡量木材聲學性能的重要指標之一。

3. 聲輻射品質常數

木材在發生振動以后，在未受到外力施力的情況下，其振動的能量則會相應衰退消失。所謂木材聲輻射能力指的是，向空氣進行輻射時聲功率的情況，用木材密度和彈性模量關系來說明木材的聲學性質。即公式為：

R=■（式中：R——木材聲輻射品質常數， E——木材彈性模量， P——木材密度）。

R代表木材對聲輻射的一種能力。通過公式得出R和E的平方根具有正比例的關系，但是和木材密度的盧立方平方卻存在成反比例的關系。在木材聲學性質角度下，該常數的絕對值越大，則木材品質會越高。就此我們得出，那些密度相對較高的木材，其的R則相對較低。就云杉木材而言，其的密度并不高，但彈性模量卻很大，所R較大，經過測算可得出R的絕對值要大于1200。⑦

4.生長輪寬度

木材的宏觀構造特征包括生長輪寬度和晚材率。生長輪寬度與管胞長度、管胞直徑、管胞壁厚、壁腔比、長寬比、胞壁率和纖絲角等木材解剖分子形態特征有關。從實驗數據證明：鋼琴共振板所用木材的生長年輪最適度寬度（1.0mm—1.5mm），其動彈性模量、聲輻射品質常數較大。因此，木材聲能損耗小，振動能量大，振動聲音持久。⑧

5.晚材率

木材的晚材率是指晚材在一個年輪中所占的比率。其計算公式為： P = b / a ×100% 其中：P代表晚材率，用%表示；a代表年輪的寬度，單位厘米；b是一個年輪內晚材的寬度，單位厘米。

我們用晚材率即P來對木材強度的大小進行衡量值，所以木材的晚材率如實較大，相應的木材硬度也會很高。不僅如此，晚材率還P與動彈性的模量、聲輻射品質的常數之間存在非常緊密的關聯性。而最適合做鋼琴共振的晚材率應在15%—28%之內。

（三）木材傳聲性能

木材是由管狀細胞組成的，所以有良好的傳聲性，為了衡量傳聲，人們便確定了聲速這一衡量指標。

其中，在木材中聲音所傳遞的速度同彈性模量即E的平方根之間存在正比例關系，而與密度p的平方根則具有反比例關系。這同時表明，聲的傳播是取決于木材的剛度與密度的。

公式為：

υ=■（式中：υ——在木材中聲傳遞速度，E——木材彈性模量， P——木材密度）。

作為向異性材料，木材在傳聲的過程中是很有規律的，同時還存在一定的方向性，且會隨年輪的方向發生不同的改變。通常與橫向年齡傳播相比順著年輪的方向進行傳遞時的速度會更大、更快。我看哈將橫年輪方向在此進行了分析得出了徑向和弦向，其中徑向傳遞速度要更快。對云杉進行相關的測試后得出

順年輪方向的傳聲速度可達到每小時5000米，而徑向時的速度則為每小時1450m米，弦向時的速度為每小時850米，這說明木材傳聲具有向異性。⑨

而正是由于木質中聲波傳播的不同，引發了音板振動不均勻情況發生。所以，肋木結構被設計在了鋼琴的音板上。其既可起到強化共振硬度、抵抗弦馬壓力的作用，又能起到將橫越年齡聲波進行傳遞的作用。進而促使音板發生整體共振，將其內不均勻性消除。

結語

作為樂器中非常重要的一個組成部分，鋼琴音板的發生振動不是孤立的個體。其實，一臺鋼琴的構成正是由其和其他組件做構建完成的，因其的不同而產生了不同品質的、不同風格的鋼琴。這表明，任意一臺鋼琴的音板都是獨一的，不會發生重復情況，只能是相似。這同時表明，云杉的每一段木材都是獨立的，用其所制作出的音板各有不同。這便要求我們在進行鋼琴制作的過程中，應以科學的方法來對各個工藝、流程進行指導。不能生搬硬套數據公式來自作，一定要重視起學生和工人工作態度及專業性的培養。以達到提升其對于制作原料木材性質能力進行判斷、處理的能力，確保木材被充分的利用，為實現制作出最為優質、高品質鋼琴奠定下一個良好的基礎。

注釋：

邵申弘.鋼琴結構概論[M].遼寧教育出版社，2009.

程生寶，韓繼賢.鋼琴的木材選材[M].

李堅，葛明裕.木材科學研究[M].科學出版社，2009.

馬爾妮，趙廣杰.木材物理學專論[M].中國林業出版社，2012.

鄒孝廉，徐守春，董瑾.鋼琴木材與涂飾工藝[M].中國輕工業出版社，2002.

劉鎮波，沈雋著，劉一星主審.共鳴板用材的振動特性與鋼琴的聲學品質[M].科學出版社，2009.

鄒孝廉，徐守春，董瑾.鋼琴木材與涂飾工藝[M].中國輕工業出版社，2002.

劉鎮波，沈雋著，劉一星主審.共鳴板用材的振動特性與鋼琴的聲學品質[M].科學出版社，2009.

鄒孝廉，徐守春，董瑾.鋼琴木材與涂飾工藝[M].中國輕工業出版社，2002.

作者單位：沈陽音樂學院