聆聽“音樂”—樂器發聲之謎

任錦燁

演奏一首優美的樂曲往往需要許多樂器的配合，可能有中國傳統樂器如琵琶、笛、簫、古箏，也可能有西方的鋼琴、小提琴。來自不同國家與地區的樂器為什么可以和諧地演奏出一首首優美的樂曲呢？

現代分類法把樂器歸納為五大類：體鳴樂器、膜鳴樂器、氣鳴樂器、弦鳴樂器和電鳴樂器。讓我們來看看，這些不同的樂器是怎樣殊途同歸，共同演奏出動人心魄的曲子的吧！

動聽的駐波

從物理學上講，樂音是空氣周期性運動在人耳中所激發的全部感覺。樂音發出的聲音能量主要受限于有限的區域，這種聲波狀態被稱為“駐波”。

什么是駐波呢？可以想象為把兩塊石頭丟入平靜的水面，它們形成的波紋逐漸靠近，并融合為一種穩定的狀態，這就是駐波。駐波是頻率相同、傳輸方向相反的兩種波，沿傳輸線形成的一種分布狀態，其中一個波一般是另一個波的反射波，在二者相加的點出現波腹，在二者相減的點形成波節。波形上，波節與波腹位置始終不變，看起來“駐立不動”，也正如其名字一般。

以利用弦的振動來發出聲音的弦鳴樂器為例，聲音主要由弦的粗細和松緊程度來決定。例如鋼琴，當你按下琴鍵，琴錘隨之擊弦，琴弦在碰撞點發生變形，先向一側移動，達到該側剛性邊界后被反射，反射波又向另一側移動，弦線隨之恢復到平衡狀態，并繼續下一次振動。這一過程十分迅速，以琴鍵A4（鋼琴第4組鍵盤的la音）為例，該脈沖每秒會完成440次的往返運動。這一振動能量從琴弦高效地傳輸到音板（能把來自琴弦的振動能量最大程度地轉化為聲音能量）中，使我們聽到熟悉而美妙的鋼琴聲。

不同的樂器，不同的原理“吹”出來的音樂

氣鳴樂器是利用空氣柱振動來發聲的。例如當吹奏管樂器時，抬起不同的手指會形成不同長度的空氣柱，空氣柱越長，音調越低；空氣柱越短，音調越高。

鋼琴的琴弦

我們熟悉的小號、圓號就是典型的氣鳴樂器，當演奏者將空氣吹入管中，管內的空氣柱與之碰撞，形成入射波，入射波到達管內封閉端無法繼續前行，于是被反射回來，形成反射波。此時，在一定頻率下，入射波與反射波結合在一起，形成了駐波。管內并不是只有一組駐波，這些不同頻率的分音組合在一起，形成了獨特的音色。

“擊打”出來的音樂

體鳴樂器和膜鳴樂器主要依靠的是打擊振動發出聲響。恢弘霸氣的編鐘就是典型的體鳴樂器，而搖滾樂隊中帥氣自由的架子鼓則是由體鳴樂器與膜鳴樂器共同構成的。如果你想最為簡單直觀地感受駐波，試試去摸一下被敲擊后的鼓吧，正是鼓面的振動，給你的耳朵帶來了如此有節奏感的音樂。

電鳴樂器——電學與磁學的結合

電鳴樂器的基本工作原理是，先用某種換能裝置把傳統樂器的聲振動轉換為與之相應的電能，再送入電子放大器放大，并做適當的音色濾波處理，最后用擴大并修飾了的音響放出。常見的電子琴、電吉他都屬于這一類。

電鳴樂器的歷史與音樂的歷史相比十分短暫，正是人們對駐波等知識的認識，復雜的聲音才能夠被“拆解”成為相對簡單的元素，我們才能利用電學與磁學將電鳴樂器創造出來。

古希臘哲學家畢達哥拉斯說過：“數學通過聲音的一致性來影響我們的耳朵。”不同材質、不同國家、不同年代的樂器，在駐波理論下得到了統一，感性的音樂也離不開理性的思想。

（責任編輯 / 張麗靜? 美術編輯 / 周游）