碳纖維在西洋管樂器中的應用

顧君怡

（江蘇省南京藝術學院，江蘇 南京 210013）

碳纖維，是一種新型的復合材料。對于管樂器制造者來說，新材料的出現，給樂器制造業帶來了一個新的嘗試。近年來，前人已進行了多次實驗與研究，無論是個體管樂器修造者或是企業中的管樂器制造廠，對于“碳纖維”在樂器中的使用，都有了一定的經驗與技術積淀。筆者在樂器展覽中，對于碳纖維在西洋管樂器中的應用頗有興趣，從碳纖維材料本身的特性出發做了一些探究。行文若有不妥之處，還請前輩指正。

一、西洋管樂器中的碳纖維

金屬和木材是常見西洋管樂器的制作材料。纖維，是一種帶有連續性的絲狀材料。西洋管樂器中的碳纖維，是運用于樂器管體，通過有機纖維，經過熱處理工藝得成的一種復合材料。以高強度、耐高溫等性能，位于近些年新型復合材料前列。目前，碳纖維也逐漸開始運用到西洋管樂器中，為西洋管樂器的構造、性能、發音等，做出了一系列的創新。

二、西洋管樂器中碳纖維的特性

目前大部分西洋管樂器的管身，使用的是傳統材料，如銅、銀、其他合金等金屬材料，并附以電鍍等一些后加工方式成形。碳纖維是一種微晶體結構，在超高溫的處理下，對于空氣氧化等，有很高的抵抗性。在樂器使用過程中，碳纖維利用自身特性，有效抵抗住周圍環境的氧化和腐蝕的能力，即為碳纖維的耐腐蝕性。管樂器制造的最終目的是能夠滿足使用者的需求，在保證質量的前提下，提供盡可能長的樂器使用壽命，碳纖維作為一種復合材料，最大限度地給樂器提供優質的使用條件，有效地避免演奏者在長時間演奏下出現的主觀破壞現象，如唾液、手汗造成的樂器表面缺陷。

碳纖維有良好的耐疲勞能力。西洋管樂器，在使用的過程中，會發生斷裂、彎曲等不良現象，樂器的物理機械性能會退化與破壞。碳纖維對此類缺陷的應對能力，即為碳纖維的耐疲勞性。西洋管樂器中的碳纖維密度較低、比模量高，力學性能良好。在西洋管樂器中的有效部位使用碳纖維，不易甚至不會出現彎曲和損壞的現象。例如長號拉管等銅管樂器，日常演奏時會發生不可預料的“樂器卡頓”現象，而碳纖維能夠有效地降低該故障發生的可能性，從而為樂器的使用提供保障，演奏者不會因樂器的質量問題影響到正常的演奏進程。

聲音是一種波，制造西洋管樂器的原材料不同，樂器發出的聲音也不同，對于管內空氣振動也有影響。碳纖維因為是增強型復合材料，抗拉強度也很高，本身的重量也很輕。在西洋管樂器中，如小號的喇叭口，可以有效利用碳纖維。隨著碳纖維在原始材料中的含量越來越多，西洋管樂器的彎曲強度和抗壓強度都會逐漸提高。利用這一點特性，可以在長號拉管、薩克斯管彎脖處利用碳纖維。低阻氣流經過中等口徑碳纖維管樂器，會使演奏者感覺在吹奏大口徑的樂器，可以增強對聲音的控制，使演奏者不用太費氣力，便可達到自己演奏的要求。

對于管樂愛好者來說，最關注的莫過于樂器的質量和音色。管樂器中的共鳴，是一物體對另一特定音的反應，樂器的良好共鳴是產生好音色的基礎。多年來，樂器市場對于傳統材料已經進行了有效開發。碳纖維，作為新型復合材料，在制造管樂器的后期工程里，樂器制造者往往會對樂器進行聲學測試，這是一個主觀與客觀相結合的過程。以小號喇叭口為例，一部分人認為聲音是以梯形的結構向外擴散，但是忽略了一點，聲音是以波形從管樂器喇叭口向外擴張，從某種意義上看，“螺旋狀”更貼近聲音傳播的具像化效果，因為材料與材料之間存在區別，喇叭口每一小層聲音振動的頻率都不一樣，不是一個均勻的振動過程。根據碳纖維的結構可以看出，碳纖維對低頻赫茲之間的振動，感應較小甚至沒有反應，在樂器演奏的過程中有很好的收音效果。對于西洋管樂器愛好者來說，演奏時會有一個較為穩定的音色。

如果說音色穩定，是西洋管樂器愛好者判斷一件管樂器好壞的標準之一，那么西洋管樂器的使用便攜度，即是管樂演奏者選擇管樂器的另一附加條件。無論是傳統黃銅，或者是復合型材料，在管樂器的整體結構上并沒有太大的差異。碳纖維重量比較輕，在西洋管樂器中，碳纖維可使整個樂器更靈活地進行演奏。大幅度地為西洋管樂器演奏者提供更大空間的創新，手指可以靈活按鍵、樂器表面的手感也非常舒適、氣流以及樂器振動與演奏者之間的共鳴感也更和諧。演奏者在攜帶時，也較為輕便。

西洋管樂器的演奏大都需要依靠演奏者的氣流，管樂器是通過氣體激勵空氣柱振動發音。在演奏管樂器的過程中，空氣中的阻力和摩擦力會使聲音間接進行“阻尼振動”，在聲音通過管樂器管壁時，會出現能量損耗的現象。對于初學者來說，氣息的把握需要一定的時間，碳纖維有助于管樂演奏者在演奏樂器時，減少氣息的流失。部分聲學設計師和樂器制造商，利用碳纖維，使空氣中的能量損耗達到最小化，更好地進行管樂器發音。對于初學者來說，碳纖維管樂器可幫助其快速地熟悉樂器，減少不必要的氣息損耗，合理利用并練習氣息的使用，逐漸掌握演奏要領。對于專業型演奏者來說，碳纖維的出現，會獲得一種異于傳統材料的手感，在演奏碳纖維管樂器的時候，演奏者嘴部氣息與管壁之間產生的共振，與傳統材料所帶來的共振不同，碳纖維材料呈現的是一種輕透感，這樣的共振，在進行高低音轉換演奏時，手部換鍵和氣息維持顯得更加靈敏。在減少能量損耗的同時，音與音之間的切換也很清晰。與傳統材料相比，碳纖維西洋管樂器對樂器的直接控制效果，顯得更加新穎。

三、碳纖維在西洋管樂器中的應用

西洋管樂器中的銅管樂器，大部分為唇振樂器，常用的有小號、圓號、長號、低音號等。隨著碳纖維的出現，銅管樂器在制作的過程中，采用“局部碳纖維”的模式，即一部分管體用傳統材料，另一部分管體使用碳纖維的方法。

材料的使用會影響西洋管樂器的共鳴，空氣柱的形狀也是影響發音的重要因素。例如小號，常見的銅管樂器之一。唇振樂器，可以通過氣流進入管樂器中，根據改變演奏者嘴唇張力，對樂器進行整體振動、1/2振動、1/3振動等，聲音對于不同長度空氣柱的振動，會演奏出對應的各種音，強奏與弱奏的好壞會影響泛音的產生。輕體碳纖維小號，一種新型材料運用在管體上的成果，此類小號在喇叭口使用碳纖維復合材料。當演奏者的氣流經過主體管產生共振時，聲音通過喇叭口進行擴散。根據碳纖維的特性，氣流經過喇叭口時，空氣柱的阻礙降低，低阻氣流的出現，使得原本一倍的聲音效果，擴大至多倍。簡單地說，演奏者在使用碳纖維小號時，與傳統小號相比，在相同聲音效果的情況下，演奏者使用的氣力降低，在保證小號音色穩定的基礎上，碳纖維的整個樂器的音色也很出彩，演奏者的氣息不會僵硬，高低音區的切換也比較靈活。銅管樂器的喇叭口是非常重要的部位，喇叭口有連接型、一體式等。對比而言，一體化的碳纖維喇叭口結構，對于音色效果會有更良好的呈現，聲音通過一體化的喇叭口更為飽滿和立體。如今，演奏者對于碳纖維管樂器，會有一定的“懷疑”，一是源于碳纖維材料的“新穎”，二是對傳統材料的習慣與信任。演奏者對于新材料的猶豫可以預知，但實際上碳纖維的特性，展示了它與傳統材料的區別，這樣的區別并不是阻礙新材料被大眾接受的因素。相反，由于碳纖維獨特的性質，演奏者在了解碳纖維材料的基礎上，會提高對碳纖維管樂器的接受度。以碳纖維的穩定性為例，西洋管樂器中的碳纖維結構類似于石墨，是一種六邊形網狀排列疊加組合而成，就穩定性而言，并不比傳統材料差。在演奏的過程中，每一個音符都可以清晰地進行演奏，氣息平穩的情況下，不存在雜音等現象。與傳統材料黃銅相比，聲波在碳纖維管體內部振動的四周，“雜質”較少，更好地體現了碳纖維的音色穩定性。

長號在銅管樂器中是一個較為特殊的存在，與按鍵式的號類樂器不同，長號的演奏依賴于伸縮拉管。從長號的歷史演變進程來看，自15世紀初在歐洲出現后，一直保持著拉管這樣的基本結構。拉管是長號的核心，伸縮拉管的正確使用是保證長號演奏的前提。在西洋管樂器的維修中，經常會出現長號拉管卡頓等現象，演奏者在長時間演奏和使用樂器下，拉管內部會殘留一些雜質和污漬。碳纖維制成的長號拉管，抗氧化能力較強，且耐腐蝕，有效地延長了樂器的使用壽命。碳纖拉管進行高低音轉換時，演奏觸感和音區轉換都很靈活。碳纖維制成的長號，為演奏者提供相對而言較為簡單的“滑塊”運動。碳纖維的特性促使長號表面不會彎曲或者凹陷，演奏者在使用的過程中，大大降低了樂器損壞的風險。相對于黃銅等傳統材料，碳纖維為長號提供了不同的演奏手感，以至于確保拉管內外的縫隙達到最小值。碳纖維為長號預留出演奏時僅需滑動的空隙。在樂器制作的輕工業標準當中，對于唇振動的氣鳴樂器，都會有通用的技術條件,例如活塞的氣密性根據不同的直徑，會有相應的最大變化間隙值；調音管和附管內外配合的最大間隙理論上不能大于0.15mm等。碳纖維長號，在拉管滑動的過程中，演奏者拉動外管，與內部附管交替滑動時，兩管之間不會顯得狹窄或過于空曠。這樣在音區切換的過程中，演奏者拉動長號時，手感更為整體化，對于音色的把握也會顯得更加豐富。碳纖維在長號中的新技術應用，增強了長號演奏的聲音、音區切換的速度以及整體的演奏舒適度。拉管是長號的主心骨，輕體拉管的完成，給新材料的未來提供了一個發展方向。

“局部碳纖維”的模式不僅在銅管樂器中得以體現，在木管樂器中也有實際應用。在西洋管樂器中，常見的木管樂器有單簧管、雙簧管、長笛和薩克斯等。傳統單簧管大多是木質；長笛、薩克斯等一般為金屬或合金制成。以薩克斯管為例，薩克斯的彎脖管是連接笛頭和主體管的橋梁，用碳纖維代替傳統材料制成的彎脖管本質與銅管樂器基本相似，目的在于讓演奏者使用較少的力量進行高音區的演奏，薩克斯的音色會被更好地呈現，在現場演奏的聲音會完全打開，并且，演奏者有更大的自由發揮空間，符合薩克斯這一樂器的特點。

樂器的管體是影響發聲的重要因素，碳纖維在管體上的應用，考慮到管樂器發音原理，暫不能將影響發聲的部位進行全面的“碳纖維替換”，所以采用“局部替換”的模式，聲音從吹奏部位進入管體的過程中，依靠氣息帶動空氣柱振動進行傳播。當聲源部分進行振動的瞬間，聲音以點向面，朝擴音部位進行發散。西洋管樂器中的碳纖維，不僅僅是為了減輕樂器重量，更重要的是優化了管樂器發音振動而存在，減少演奏中的能量損失。“共鳴的好壞”是判斷管樂器質量的標準之一，西洋管樂器的共鳴感，一是樂器自身與介質之間的共鳴，二是樂器與演奏者之間的“共鳴感”。樂器自身依附于制作樂器的原材料，聲波在管體內部進行碰撞的同時，每一面都會反射，并且會進行多次反射。聲波穿梭在樂器管壁與介質之間，來回交替，不斷產生共振，從而得到演奏者需要的音色。演奏者追求西洋管樂器的共鳴感，不僅是樂器個體的振動，更追逐于樂器振動帶來的“演奏手感”。碳纖維的飽和度，讓演奏者在演奏時，口腔與手部形成了一種氣流與樂器觸感之間的感應效果。

演奏者聽到的西洋管樂器聲音，大部分來源于管樂器周圍的空氣振動，而不是單一的材料振動。樂器音色受空氣柱的影響，并且樂器中的管壁振動會影響演奏時的靈活度、氣力和速度等。管樂器的每一個音色，是不同頻率的振動疊加而成。碳纖維制作的樂器，亦會考慮聲音的成分。樂器制造的目的是進行更好地演奏，當樂器處在不同環境中，如音樂廳、錄音室等，聲音的傳播就開始與空間音樂聲學有關聯，樂器本身的音色與環境配置標準，是影響聽眾感官的重要因素。碳纖維從聲音的整體性出發，會給演奏帶來暖聲調。碳纖維材料能夠在管樂器各個部分之間提供較為獨立的“硬度”和“剛度”。這樣一來，管壁振動對樂器音色的不良影響會有所降低。碳纖維零部件十分堅固，不易產生凹陷和斷裂，保證了西洋管樂器的質量。

碳纖維在西洋管樂器中依然有很大的發展空間。新型材料的出現，是對傳統材料的一個挑戰。傳統材料給西洋管樂器帶來的經典效果，新型材料是否可以延續并加以創新，這一問題也很值得管樂器修造者們繼續進行探討。西洋管樂器的種類有很多，不僅有傳統金屬制成的管類樂器，也存在木制樂器。若使用碳纖維對一些木制管樂器進行改良，以及對一些銅管樂器的配件進行研制，在不影響發音的基礎上，未嘗不是一種新的修造方式。碳纖維在西洋管樂器中的應用，逐漸被人們所接受，這是新材料在新時代的成果。未來，碳纖維會依靠自身的優良特性，繼續在樂器行列大放光彩。

四、結語

碳纖維，是近些年來，較為熱門的樂器制作材料。多年以來，管樂器制造者們，不斷創新，利用各式各樣的新材料，多次進行實驗與探究，將自己的思想，注入到各個管樂器當中。每一件管樂器的產生，都蘊涵著樂器制造者們的心血。在將來，新思維和新材料會繼續為管樂器市場帶來源源不斷的生命力，給演奏者們提供更加新穎優質的樂器，為管樂愛好者們構建一個精彩紛呈的樂器世界。