鋼琴調律中弦軸與琴弦的受力關系分析

胡倩如

[摘要]從琴弦、弦軸以及琴弦與弦軸的關系入手，通過對調律運扳過程中弦軸和琴弦的受力分析，提出有效指導意見，達到提高調律精準程度以及音準穩定的目的。

[關鍵詞]鋼琴;調律;弦軸特性;琴弦張力;琴弦彈性;運扳方法

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.07.014

鋼琴調律過程中離不開兩個本體，一個是琴弦，另一個是弦軸。鋼琴調律師通過將調律扳手套在弦軸上，轉動弦軸改變琴弦的張力，來達到調律的目的。然而，鋼琴調律又比其他樂器的調律復雜。因為琴弦并不是只用兩個端點張掛，而是通過不同支點將其分為五個部分。每個部分雖不是都與發音相關，但每一部分的張力都與調律時的難易程度以及調律后的音準穩定性密切相關。

1鋼琴琴弦張掛力學分析

1.1琴弦張掛結構分析

鋼琴琴弦的兩端支點分別為弦軸和掛弦釘（圖1）。在琴弦的張掛過程中，琴弦自上而下分別被壓弦條、弦枕、上下碼釘分為五個部分。正因為有了這幾個節點，琴弦在振動時，分為發音的有效振動部分以及不參與發音的無效振動部分。

有效振動部分是隨著有效弦長的不同，發出不同頻率的聲音。鋼琴有效振動部分止于弦枕和弦碼上碼釘，為了獲得更好的音色以及防止雜音的出現，要盡量避免無效振動伴隨有效部分一起振動。

雖然無效弦長不參與發音，但為了使有效琴弦的音高保持穩定，它必須承載張力的平衡。當整根琴弦被拉伸或壓縮時，琴弦將依次通過這幾個節點，在這些節點上需要克服摩擦力，才能達到張力的統一和平衡。

1.2鋼琴琴弦物理屬性

鋼琴琴弦分為裸弦與纏弦。裸弦為高碳鋼材質，經鉛浴淬火后冷拉而成，也稱為“冷拔鋼絲”。纏弦為高碳鋼外纏繞一層到兩層的銅絲。一層纏弦，是在裸弦上纏繞一層經過防銹處理的紫銅絲制成;兩層纏弦，是在一層纏弦的基礎上，再纏繞一層紫銅絲制成，其主要目的是為了用較短的琴弦獲得較低的頻率。

琴弦被弦槌敲擊振動發音，主要的振動方式是橫振動，即振動方向與琴弦張掛方向垂直的振動。但伴隨著橫振動，還有一種振動方式是縱振動，它是和琴弦的張掛方向平行的一種振動形式。在縱振動的影響下，琴弦被敲擊振動發音，使琴弦和弦枕以及琴弦和上碼釘在振動中產生相對運動，即摩擦。弦的年限和腐蝕都會使支撐點上存在摩擦力。琴弦的一端被弦軸從幾個支點拉起，這些支點均有摩擦力存在，在不同的弦段之間產生不平衡的張力，使每一段琴弦的張力一致不太可能。在支撐點上不均勻、不穩定的張力，會影響調律的穩定性。為了整根琴弦張力的平衡和穩定，必須使掛弦處的幾個節點克服摩擦力。

2運扳方法概述

2.1一般運扳方法和要求

通常要求初學者將音拉高，并超過目標音高，同時確認弦軸在弦軸板里轉動。然后，回轉弦軸至純點后重擊該琴弦，當目標音音高達到弦軸設置的位置附近時，重擊確認純點。但是，在弦軸過緊時，這種操作方法不見得奏效。當弦軸很緊時，拉緊琴弦并感到弦軸轉動，此時猛拉會導致聲音過高，往下降低音感到弦軸轉動后，其音又容易調到目標音高之下。這樣反復尋找純點位置，既浪費時間，又降低音準穩定性。

值得推薦的方法是，欲提高琴弦張力時，先將音高降低至純點以下有些遠的位置，這樣第一下運扳不會直接拉到純點過高的位置，同時感受弦軸在弦軸板里轉動量。如果不是非常緊的弦軸，可以將注意力放在低于純點至純點處，仔細聽辨純點位置，不能拉過純點過遠，聽到有拍音即可。在退扳至即將到達純點時，穩定住扳手的同時重擊琴鍵，此時若還有拍音，輕輕轉動扳手退扳到純點位置，最后重擊琴鍵確認已到達純點無拍音。

2.2微調的方法和要求

當調同度時，常會出現一種現象，已經非常接近純點，但是還能聽到有一點波動感。這就要求掌握微調技術，使被調的這根弦調到比參照弦低兩拍。當弦軸非常緊時，轉動弦軸會一下調到比純點高得多的位置上，施加一個穩定向上的力，這時扭轉弦軸同時重擊琴鍵，直到該琴弦過了純點出現拍音。將弦軸控制在這個位置上，繼續重擊琴鍵，停止給扳手施加的力，從而放松扭力，敲擊琴鍵，此時的琴弦正好在理想的純點位置。如果還沒到純點，用扳手施加適度向下的扭轉力，并敲擊琴鍵，直到純點。最終，弦軸的中心線通過扳手的微小但明確的順時針方向扭轉或逆時針方向的扭轉，在往復轉動中達到統一。

3調律時弦軸扭矩分析

扭矩是使物體發生轉動的一種特殊的力矩。在物理學里，力矩是指作用力使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向。當弦軸的扭矩一致時，以純點為中心，既不太高也不太低，調律比較容易。但是，如何獲得這種一致的扭矩呢}除了弦軸板材質的選擇、適合的鉆孔和鉆孔技術外，弦軸、弦軸與弦軸孔的配合、弦軸和琴弦的關系也值得關注。

3.1弦軸的撓性

弦軸的材質是優質碳素鋼，有良好的彈性，屬于彈性體。彈性體的特性是除去外力后能恢復原狀的材料，有的彈性材料在外力作用下可伸長至原長的兩倍以上。但是，如果過分拉伸或是彎曲碳素鋼，是無法恢復到原始位置的，會發生變形。施加的力可能是一種彎曲力、拉伸力、扭轉力。另一種為塑性體，即去除施加力不能恢復原狀的，如鉛。將鉛拉伸后，只能保持拉伸后的形態。

弦軸在弦軸板中的扭力，通常不足以讓弦軸發生塑性形變。但一個普遍的錯誤觀點認為，它的塑性大于彈性，即向一個方向施加扭力，但不足以使弦軸在弦軸板里轉動時，需要向相反方向施加扭力，才能使弦軸恢復到原來的位置。實際情況是，由于碳素鋼的彈性大，不需要向相反方向施加扭力，弦軸會自己調整到原來的位置。弦軸本身也會“矯枉過正”，經歷瞬時的旋轉振動，最終在起點停止。

其中，弦軸自身的設計尺寸也值得注意。在標準尺寸上，將弦軸頂部的直徑增加0.05mm。這一點變化在密度較大的弦軸板中能夠被調律師感知，以至于調律時會感到非常困難。弦軸孔里的摩擦力，讓弦軸能夠抵抗來自琴弦的拉力，也使弦軸可以在一段時間內保持一個扭轉的狀態。如果除了琴弦拉力還存在其他的扭力，弦軸沒有足夠的摩擦力抵抗這些力，這時弦軸釘就會不太穩定。

3.2弦軸與弦軸孔及琴弦的配合

首先，明晰兩種運扳方法。扳手轉動弦軸，指的是整個弦軸已經移動，它在弦軸板中移動或者有咔咔聲的這種感覺是明顯的;扳手扭轉弦軸，指的是弦軸沿著軸線彎曲，但在弦軸板里沒有明顯的轉動。

其次，弦的張力從弦軸到掛弦釘處每段是不一致的。重擊琴鍵能夠使琴弦張力平衡，張力不會向上或向下延伸，琴弦能夠穩定住。然而，這并不意味著各個部分的張力是相同的。以微調技術為例，先將目標弦調到比參照弦低兩拍。施加一個穩定向上的力，這時扭轉弦軸，同時重擊琴鍵，一直到該弦過了純點出現拍音;將弦軸控制在這個位置上，繼續重擊琴鍵，此時琴弦處于平衡狀態，而弦軸一直存在扭力;接著，停止給扳手施加力，敲擊琴鍵，此時，琴弦正好處在理想的純點位置。如果還沒到純點，用扳手施加適度向下的扭轉力并敲擊琴鍵，直到純點。需要注意的是，重擊琴鍵是關鍵，弦軸用來改變琴弦的張力和音高，但是，由于在不同點上的摩擦力，需要重擊琴鍵來使琴弦張力越過這些點而達到張力統一。所以，為了調律后的音準穩定性，必須同時關注弦軸的平衡位置以及琴弦每段張力的平衡。

3.3琴弦的彈性和弦軸到弦枕的距離

弦軸的扭轉和支撐點的摩擦力，常被看作是影響調律穩定的最重要的兩個因素。其實，第三個因素也很重要，即琴弦的彈陛，尤其是從弦軸到弦枕這段琴弦的彈陛。琴弦在弦軸到弦枕這段距離中有很大的延伸，不受有效弦長部分張力的影響。當弦軸轉動時，包括弦軸的扭轉，都不會使有效弦長的發音發生變化。對于調律的穩定，這可能比弦軸的扭轉和支撐點上的摩擦力更難讓人把握。

琴弦的彈性，應該被認為是每個單位長度的一定量的可延性。琴弦有不同的總長度，盡管它們的有效長度和張力一致，但整根琴弦的彈性是不一樣的。因此，它們對氣候變化和弦軸轉動的響應也會不同。例如，因為氣候變化，一架完成調律的鋼琴的高音部分出現跑律，會有一個統一的偏差模式，即所有的右弦或左弦有相同的偏差量。這是因為左弦和右弦整根琴弦的彈性不同，使琴弦對弦碼上升或者下沉的反應不同。這里，特別關注的是弦軸到弦枕這段琴弦的彈性。這段弦越長，彈性系數越大，弦軸的運動越不受音高變化的影響。也就是說，弦軸的轉動和音高變化之間的相關性越小，調律師就越不容易調純。這是因為弦軸到弦枕的這段琴弦越長，琴弦在弦枕處受到摩擦力的影響以及和下端有效弦長部分的琴弦越分離，琴弦越不容易被調律扳手響應。

不同的鋼琴設計中，弦軸位置有所不同，有些弦軸到弦枕這段弦長距離長，有些則很短。壓弦條、弦鈕等支撐系統的設計也有所不同。觀察發現，弦軸到弦枕的不同長度帶來的不同響應會非常明顯。無論是三角鋼琴還是立式鋼琴，低音部分調律是最容易的。這個區域弦軸到弦枕的距離按比例是最短的，整根琴弦的彈性是最大的。三角鋼琴弦軸到弦枕的距離通常比立式鋼琴長，支撐點上的摩擦力也比立式鋼琴大，所以三角鋼琴更難調律。

4結語

鋼琴調律技術的精準程度，不僅依靠調律師日復一日的嚴格訓練，還需要從鋼琴結構入手，了解鋼琴琴弦、弦軸的特性以及兩者之間的關系，并用于指導調律操作手法，從而提高鋼琴調律的精準性以及調律后的音準穩定性。