現(xiàn)代樂器中的物理學常識探討

魏雷

摘 要：現(xiàn)代樂器與物理學之間具有十分緊密的聯(lián)系，從物理意義上來說，樂器是根據(jù)物理學常識人為制造的能產(chǎn)生聲音的物理儀器。鑒于此，本文先是闡述了現(xiàn)代樂器的種類，由于現(xiàn)代樂器中蘊含的物理學常識較多，本文無法一一進行闡述。因此，本文以管樂類樂器、弦樂類樂器、電子樂器的發(fā)音為例，詳細探究其中蘊含的物理學常識，希望能對我國現(xiàn)代樂器行業(yè)的發(fā)展和進步提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代樂器;物理學常識;管樂器;弦樂器;電子樂器

1現(xiàn)代樂器的概述

樂器是指能發(fā)出樂音的、能進行藝術(shù)在再創(chuàng)造的器具。現(xiàn)代樂器的種類較多，主要分為以下幾大類：第一，鍵盤類樂器，主要有鋼琴、風琴等。第二，管樂類樂器，主要有笛子、薩克斯等。第三，弦樂類樂器，主要有小提琴、大提琴等。第四，打擊樂樂器，主要有風鈴、架子鼓等。第五，吉他類樂器，主要有吉他、貝斯、尤克里里等。

2管樂類樂器中的物理學常識

管樂類樂器是一類較為常見的樂器，現(xiàn)代樂器中的薩克斯、長笛、大號等樂器都屬于管樂類樂器，此類樂器的發(fā)聲原理是空氣柱振動而產(chǎn)生樂音：當在吹奏管樂類樂器時，表演者通過抬起不同的手指以形成長度不同的空氣柱，空氣柱的長度與音調(diào)高低成反比（空氣柱越長，音調(diào)越低;空氣柱越短，音調(diào)越高）。但這一原理的具體表現(xiàn)又會因樂器的不同材質(zhì)而不同。木質(zhì)的管樂類樂器（長笛、笙、洞簫等）在管體開孔，以手指按壓控制孔的開閉以改變管內(nèi)的振動空氣柱的長度，進而形成駐波，發(fā)出演奏者所需的樂音。銅制的管樂類樂器（薩克斯、彈簧管等）是通過活塞或伸縮控制振動空氣柱的長度。但僅僅將簡單地將空氣吹入管子中部分樂器是很難發(fā)聲的，很多管樂類樂器都在管口上加上某些特殊的裝置或發(fā)聲體，通過演奏者的吹氣演奏可以迅速產(chǎn)生連續(xù)、有節(jié)奏的氣流，使空氣柱產(chǎn)生振動、形成駐波，進而發(fā)出演奏者所需的樂音。

根據(jù)發(fā)音體的不同發(fā)音，可以將管樂類樂器分為氣簧、蘆簧、唇簧等三類。第一，氣簧管樂類樂器（長笛、蕭、短笛等）將利用“邊棱音”將演奏者呼出的氣流作為發(fā)音體，將氣流吹入孔中，使其與吹孔對面的尖銳邊緣進行碰撞以使氣流產(chǎn)生分裂，在這過程中，大約有三分之一的氣體會散發(fā)到孔外，三分之二的氣流會進入管中形成渦旋、發(fā)出聲音。第二，蘆簧管樂類樂器（單簧管、雙簧管、薩克斯、嗩吶等）的發(fā)音體是蘆葦簧片，其上端可自由振動，下端則被固定在樂器上，在演奏者呼出的氣流進入簧片間的空隙（單簧夾片間的窄孔），若氣流流速加大，壓強就會減小（這是流體力學的伯努利原理）即無論是液體還是氣體，只要其流速增加，壓強就會減少。簧片也是如此：當簧片間的氣流增加后，其向兩側(cè)的壓力減少，簧片關(guān)閉;簧片間的氣流減少或沒有氣流（停止吹奏）簧片就會在彈力的作用下恢復(fù)原狀。經(jīng)過上述情境的反復(fù)循環(huán)，蘆簧就會進行一開一閉的振動，向樂器口周期性、振動性的進氣，從而使空氣柱產(chǎn)生振動，進而使樂器發(fā)生樂音。第三，顧名思義，唇簧管樂類樂器（長號、圓號、短號等）的發(fā)音體是演奏者的嘴唇（“以唇代簧”）。在實際的演奏過程中，演奏者把肺部氣體送入號嘴中，將嘴唇中間吹開，使氣流進入管中，在氣流與嘴唇彈性的雙重影響下，嘴唇就會閉住;隨后，氣流又會沖開嘴唇，然后再閉上，通過一開一閉反復(fù)循環(huán)的振動，樂器的吹口處就產(chǎn)生周期性、振動式的進氣，進而使管內(nèi)的空氣柱產(chǎn)生振動，形成演奏者所需的樂音。

3弦樂類樂器的物理學常識

弦樂類樂器（小提琴、大提琴等）是現(xiàn)代樂器的重要組成部分之一，它能有效演繹用以抒情的旋律，且音色較為統(tǒng)一，具有極強的表演張力。此類樂器的發(fā)音原理主要是通過機械力量使繃緊的琴弦振動，進而使其產(chǎn)生聲音。弦樂類樂器共鳴箱材質(zhì)與琴弦的長短、材質(zhì)、繃緊程度等因素都會影響弦樂類樂器的音量與音色，若琴弦的長度較短、琴弦較細、繃緊程度較高，樂器發(fā)出的音調(diào)就較高;若琴弦的長度較長、琴弦較粗、繃緊程度較低，樂器發(fā)出的音調(diào)就較低。此外，樂器發(fā)出聲音的高低還取決于琴弦振幅的大小，一般情況下都會采取木制的共鳴箱以增強樂器的音量，使其發(fā)出洪亮的聲音。演奏者在演奏時僅僅依靠琴弦是遠遠不夠的，大部分音階都無法通過琴弦演繹，還需要演奏者能靈活運用自己的手指，通過手指按壓的方式人為地改變琴弦的長度，進而有效控制樂器的高低音。

根據(jù)弦樂類樂器的發(fā)音方式不同，其大體可以分為弓拉弦鳴樂器（大提琴、小提琴等）和彈撥類鳴樂器（吉他等）這兩類。第一，在演奏弓拉弦鳴樂器的過程中，演奏者需要使用琴弓，通過其與琴弦之間的相互作用使琴弦有規(guī)律的振動，在共鳴箱的作用下發(fā)出較為悅耳的聲音。在琴弓與琴弦之間的相互作用主要是通過滑動摩擦力來發(fā)生作用的，這是一種最基本的相互作用力，通常產(chǎn)生于相互接觸、相互滑動的物體之間。相關(guān)研究表明，要想產(chǎn)生滑動摩擦力就必須要滿足以下條件：物體之間相互接觸;物體之間產(chǎn)生擠壓;物體接觸面要粗糙;物體之間有相對運動或相對運動的趨勢。其中最為關(guān)鍵、重要的是“物體之間產(chǎn)生擠壓”這一點，這就要求演奏者在使琴弓與琴弦發(fā)生作用時必須要對其進行適當?shù)陌磯阂允蛊洚a(chǎn)生摩擦力，也就是琴弓通過摩擦帶動琴弦產(chǎn)生振動。第二，彈撥類鳴樂器的發(fā)聲原理是演奏者用手指撥動、按壓琴弦使其發(fā)出聲音。弦對弦樂器具有至關(guān)重要的作用，演奏者在開始演奏前通常都會先進行調(diào)弦即通過改變琴弦的張力以調(diào)節(jié)音調(diào)。將琴弦調(diào)整到標準音調(diào)之上就會使音色更為明亮，要想使音色暗淡就可將琴弦調(diào)到標準音調(diào)以下。

4電子樂器中的物理學常識

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，在各種各樣樂器得到長足發(fā)展與廣泛應(yīng)用的同時，樂器設(shè)計與制作中開始應(yīng)用越來越多的物理學常識及物理技術(shù)，新型的電子樂器也開始出現(xiàn)。制作電子樂器的主要有兩種方式：改造傳統(tǒng)的樂器、制作新型的樂器。第一，改造傳統(tǒng)的樂器即在現(xiàn)有傳統(tǒng)樂器的基礎(chǔ)上添置一些擴音設(shè)備或優(yōu)化音色的設(shè)備，進而有效改善或改變傳統(tǒng)樂器的藝術(shù)演繹效果，這種方式制作的儀器主要有電吉他等。第二，制作新型的樂器即以電子振蕩器為主的組成音階的新型樂器，此類樂器的代表為電子琴。在應(yīng)用傳統(tǒng)樂器進行表演時，由于樂器材質(zhì)和發(fā)聲原理的不同，各種樂器發(fā)出的音色也是不同的，即小提琴無法奏出鋼琴的音色、琵琶演奏不出嗩吶的聲響等，但電子琴能有效改變這種困境，利用音色合成系統(tǒng)演奏出不同的聲音。此外，電子琴還能應(yīng)用其他的輔助系統(tǒng)自動產(chǎn)生各種音響效果，這能使較為復(fù)雜的演奏過程簡單化，使一臺電子琴的演奏具有整支樂隊的效果，有效提升音樂演奏的效果。

5結(jié)語

總之，現(xiàn)代樂器的發(fā)展與物理學常識是分不開的。不同樂器的發(fā)聲原理都是不同的，這僅僅是現(xiàn)代樂器中蘊含物理常識的一種重要表現(xiàn)形式，同時也正是因為物理學常識的發(fā)展與應(yīng)用，現(xiàn)代樂器才能取得巨大的發(fā)展與進步。相信隨著物理學的發(fā)展與普及，現(xiàn)代樂器的發(fā)展必將取得更大的成就。

參考文獻：

[1]李莉. 現(xiàn)代樂器中的物理學常識[J]. 中學物理教學參考，2017，46（20）：56-57.

[2]李桂梅. 常見樂器的物理學原理舉隅[J]. 中學物理教學參考，2018，47（16）：83-84.