科學技術與歐洲長笛管體結構的制作工藝研究

文/李 響

一、科學技術發展對長笛制作工藝的影響

長笛樂器管體的改革一直屬于在傳統中相互的交融，在獨特中不斷的發生變化逐漸向前發展的過程。回顧泰奧巴爾德·波姆（Theobald Boehm）對長笛的制作改革，直到1846年他才通過運用聲學的物理方法對樂器管體的設計及發音原理進行細致探索和研究。目的為尋求更加科學的發聲方式、便捷的演奏性能、出彩的樂器音色而不斷的努力實驗與革新，改變了以往簡單系統的長笛結構模式及制作理念，為后期長笛管體結構的最終定型、穩定的發展做出了貢獻。

啟蒙運動期間，歐洲的樂器制造家以科學的理論與實驗，首次嘗試制定“管子聲學”規律，并對長笛聲音方面進行研究。用天文學、物理學、數學等計算方法，從實際實驗中推論自然定律，求得樂器精準的發音數值，從中用數據校準音高并以理論的形式闡述這一觀點的可行性。例如：約翰·海因里希·蘭伯特（Johann Heinrich Lambert）1777年撰寫了有關該時期樂器聲學的文章，他對當時科學的前沿思想與長笛聲音的探索方面都有深入的了解。蘭伯特的聲學論文以天文學和物理學的自然科學研究為前提，利用細微的觀察和數學工具，從實際實驗中推導出自然規律，用分鐘觀察在實際實驗中精確測量并計算出自己所制造的長笛標準音高為：a=415.25cps①，推翻了之前一位樂器聲學研究學者伯努利（Bernoullis）計算出的長笛標準音高為：a=392cps的實驗報告。同時，他還用數學的科學計算法算出長笛吹奏口的精準位置，給出了演奏者嘴唇放置吹奏口的精確細節（應該覆蓋一半的吹口孔）和正確的口型，并計算一個數學的常數得出吹奏孔末端校正的數值，便于確立吹奏孔與軟木塞之間的距離位置，從中可以通過數據的方式得到客觀評判的依據，進一步以科學的方式得出音程關系對聲音準確性的影響。除此之外，他的另一個主要論證觀點是長笛音孔大小和孔徑關系，以及音孔內底切的效果都會直接影響樂器所發出實際音高的準確性。

樂器聲學的學者、制造家通過運用科學的計算法則，并以理論與實踐的觀點進一步證實科學技術對樂器制造所起到的重要作用，這樣以數據的方式呈現結論更能說明科學法則計算出結果的真實性、嚴謹性。為之后長笛管體結構的改良與發音原理的測定提供了科學依據。

二、長笛音孔制作的工藝方法

（一）機械設備的改進促使樂器產量提升

18～19世紀在藝術、手工藝等制作的諸多方面上，依靠科學的手段進行樂器結構的研究在方法上還是較為簡陋，也存在一定的局限性。例如：在長笛的結構設計、聲音特點及使用性能等方面會受到地域民族差異、演奏者的個人要求以及聲音品質、音樂作品風格等制約。同時樂器制作的工藝方法上也會依照制造者的想法進行生產，由于受到各方面綜合要素的考慮會對樂器設計、制作產生重要的影響，之后會呈現出不同國家和地區的制作理念，并形成了不同的樂器結構外觀。另外，想要進一步了解當時樂器制作的標準及設計理念也是非常困難的事，因為樂器制造商認為把自己的設計理念、樂器特征及樂器標準進行描寫是件荒謬的事，更沒有想過以專利的形式得以保護，他們認為只有對樂器的制作工藝流程做到完全保密的狀態才是最好的保護方法。所以，想要了解這一時期樂器制作的大致過程，可以通過樂器制造商的工廠內部建設、制作樂器的工具、實踐的環境以及工匠的技藝介紹等方面加以了解，并能大致初步認知樂器生產的方法和工藝。

18世紀木管樂器的管體制作基本依靠半手工式的車床進行加工制造的，這種較為簡單的機械設備早在13世紀中葉就已出現。主要靠腳踏板驅動的形式使機器加以運轉使用，該機器的核心是一種可以旋轉制作工件的聯動裝置。它的使用原理：將一根繩子纏繞在制作管體的工件上與腳踏板連接，另一端連接在有韌性的桿子上，以手持的方式把削切鑿子刀放在圓柱形管體的定位支架上，腳踩踏板使機器以一個方向進行有限的運轉，然后在通過相反的方向再次纏繞繩索，最終達到管體音孔成型的制作，這種樂器制作的方法和過程非常簡陋、繁瑣。到了18世紀后期19世紀初，車床設備有了改進，主要體現在機械配件的增加，這些配件主要有：齒輪驅動器、可調節齒輪轉速的皮帶以及錐形齒輪的手支架等。這些機械零配件的進一步增加可以使機器不再是單一的運轉方式，出現了相同方向的恒定旋轉，以及雙向旋轉等形式。除此之外，錐形齒輪的手支架可以與工具軸承成直角旋轉，方便了鉆頭削切，使音孔的制作方法有了更進一步的發展。運用科學方式增強機械設備的裝置提高運轉速度，大大提升了樂器制作產量。

圖1 右為18世紀木管樂制作所使用的機械設備（半手工式車床及制作長笛管體的模具工件）左為音孔削切所使用的工具

（二）長笛音孔成形的制作工具與方法

18世紀中后期，在木管樂器音孔制作方面出現了不同尺寸的削切工具及后期音孔修整工具，這些工具主要有鉸刀、銼刀和刮刀，上述工具的產生可以根據聲音品質要求及不同直徑的音孔所需修正方式加以選擇使用。在長笛音孔制作時，鉸刀主要用于完成后期的內音孔削切，制作過程首先在管體上標注所鉆音孔的中心位置，然后利用車床鉆一個導向孔，這樣有利于工匠使用鉸刀準確無誤的削切音孔，使音孔的形狀最終達到相同直徑一體化的制作。不同尺寸的鉸刀出現可以較為精準地制作不同直徑的音孔，最大限度減少了音孔制作過程中的變化及不均的現象，同時提升了樂器制作尺寸的標準化和所需的時間。

后期精加工長笛音孔時，由于音孔是由工匠用鉸刀削切完成整個制作過程，削切會帶來音孔內壁及底部表面不夠平整、平滑或留下多余的木屑等現象，每個音孔內部木屑的量及內壁光滑的程度，是直接影響樂器所發出音高準確性及聲音音量響度的關鍵性因素之一。所以樂器制造者會利用銼刀、刮刀和一些金屬的刀具進行反復多次修整音孔，同時對凹音孔及底部進行后期修復處理，最終要做到音孔的形狀符合聲學的要求、內壁修整后要做到表面不留痕跡，絕對的平展光滑，這對長笛音孔整體的后期加工起到非常重要的作用。除此之外，音孔底部削切的范圍和形狀也是非常重要的環節，雖然從長笛外部看不到音孔內在的狀態，但是它的細微變化會影響聲音的品質，主要影響的方面有：音高的準確性、音色的豐滿度、明亮度及聲音的共鳴與穿透力等。在當時工匠要利用不同形狀和尺寸的小型刀具精雕細琢，從音孔上端穿過內膛逐步切掉其底部多余的部分，最終完成音孔底部的削切工序，工匠嫻熟的制作技藝能賦予樂器完美的演奏聲響。

18～19世紀，由于不同的樂器制造商在樂器制作方法的要求上存在差異，音孔后期的修整、底部削切的方法除上述外，也有使用粗糙的草皮進行加工處理。

圖2 木管樂器音孔制作及修整、擴孔工具（1781年）

三、科學技術推動長笛制作工藝的向前發展

（一）彈簧的出現促進長笛音鍵性能的發展

18～19世紀隨著工業革命的來臨，人類生產與制造方式逐漸轉為機械化，出現以機器取代人力、畜力的趨勢，以大規模的工廠生產取代手工生產的革命，引發自現代的科學革命。羅伯特·胡克（Robert Hooke），英國的科學家、博物學家、發明家，在物理學研究方面，他提出了材料彈性的基本定律-胡克定律②。1656年，他研制發明的錨形擒縱機和擺動輪裝置，并利用矩形截面螺旋彈簧連接鐘表的部件擺桿與錨正后方的堅固支架，錨的樞軸與彈簧的彎曲點對齊，這一裝置的產生可以按周期控制發條的寬緊，至今是鐘表制作中的關鍵部件。彈簧的產生成為了工業產品制造中必不可少的部件之一，因為好的彈簧性能可以提高物件的使用壽命，所以在當時歐洲制作生產彈簧是一件既有難度又是高精密專業的工種，同時彈簧在樂器音鍵的使用性能中也發揮著重要的作用，是不可或缺的部件之一。

這一時期長笛音鍵的彈簧通常是用黃銅制作而成，最初它的安裝方式是直接固定在木制或象牙制作的管體按鍵凹槽中，同時必須降低鍵槽底面才能有足夠的空間使彈簧自由的運動，這種運動方式通過彈簧翹起的自由端與音鍵相接觸來達到音鍵開閉的運動過程。雖然彈簧的出現提高了樂器的使用性能，但是樂器管體的材料受氣候溫度、濕度影響出現熱脹冷縮的現象，這樣會導致固定彈簧的小塊銅板出現松動，影響彈簧整體的穩定性。除此之外，由于降低按放音鍵凹槽的面來完成彈簧的運動方式，鍵槽側面會受到彈簧壓力的影響從而導致管體開裂。為了尋求彈簧更安全、更穩定、更持久的運用在樂器管體上，制造商改變了以往的固定方式把彈簧的位置移到了鍵柄下方，利用銅制的鉚釘、鐘表上的小型螺絲來作為輔助固定部件，重新安裝在管體上。這種方法可以減少彈簧的彎曲、機械移位、彈力不足等現象，同時還可以延長彈簧的使用壽命。

18世紀后期，制作彈簧的材料也有了新的發展，出現了鋼制彈簧。這種材料的彈簧比銅制彈簧彈性更大，有利于音鍵靈活運動，缺點就是易生銹，要經常做清潔保養處理。德國萊比錫的長笛演奏家兼樂器制作J·G特羅姆利茨（J·G Tromlitz）是鋼彈簧的擁護者。

圖3 18世紀長笛的音鍵彈簧

（二）冶金學的發展提高長笛部件制作工藝

1500～1750年間，歐洲一些礦產開采量除了煤炭和鐵礦以外，其它均屬于穩定增長的狀態，冶金學在這一時期也有了新的試驗和發展，它將藝術與科學相結合的方式運用在樂器制造行業。巴洛克時期，單鍵長笛的出現意味著金屬材料進入了樂器制作的行列中，早期長笛的音鍵是用銀制作而成，這是一種來自于德國東部薩克森州、波西米亞及新大陸的金屬，工匠通過用平板手工冶煉鍛造的方式制作出音鍵，然后再利用軸銷把音鍵安裝在管體上，使音鍵形成回旋式運動的狀態。后來隨著商業化的開發，黃銅普遍作為樂器管體和部件的制作材料，直到1800年才徹底廣泛用于歐洲各國不同結構的長笛音鍵制作中，它的運用大大減少了樂器音鍵制作的工作量。

17世紀長笛音孔的密封墊材料和固定方法也有所改變，前期主要是用皮革做成與音鍵、音孔相吻合的密封墊，并利用蠟把密封墊固定在音鍵上，通過運用鍵柄下方的彈簧使音鍵保持運動達到密合音孔的效果。但是在長期使用的過程中由于皮革會受到油污和濕度的影響，墊片形狀會發生變化從而導致樂器產生漏氣現象。18～19世紀在英格蘭出現了用金屬相融合的合金材料來制作密封長笛音孔的部件-塞子，并在音孔金屬襯套圈的作用下達到密封音孔的效果。這種音孔密合方式在當時的英國較為盛行，它主要是利用鋅、鉛、錫合金材料做成一個與音孔尺寸相吻合的金屬塞子，然后用鉚釘把它固定在音鍵上，音孔的邊緣用金屬圈加固，這種塞子的產生可以克服皮革墊在接觸油或水分后，形狀改變導致漏氣的問題。在當時雖然能解決一些弊病，但是在實際運用過程中還是會對樂器的使用性能產生一些問題，所以用金屬塞子密封音孔的方法沒有被廣泛采納，直到后來逐漸被廢除了。

雖然該方法沒有得到普遍的運用，但是它成為了長笛音孔密封方法改良過程中的時代產物。此項目改革者是倫敦樂器制造商理查德·波特（Richard Potter），并在1785年申請了專利。

（三）長笛管體的設計變化

18世紀初長笛備受眾多的業余愛好者、演奏家、音樂家的關注和喜愛，它從出現一直屬于表現力極為豐富的樂器之一。隨著音樂作品內在的多樣性，音樂創作和演奏技法的變化對樂器所需的表現力類型提出更多、更高的要求，這對提高樂器制造商樂器結構改良的整體合理性、完善長笛的表現力發出了有力的改革信號。在當時主要體現在長笛演奏技法的運用上還是存在著一些弊病（例如：在吹奏時，氣息、口型、舌頭的位置、指法的替換都要在固定的模式下才能夠得以控制，不能自由地發揮演奏）。樂器制造家針對這些問題反復多次的試驗、嘗試新的制作改良方法，目的就要使長笛在演奏時更加的便捷，在調音方面可以根據樂曲的實際需要，較為容易地操控調整，在音樂的表現力上更能貼切演奏家內心的表達。

巴洛克式長笛，錐形音孔是區別于其他時代長笛管體特征的條件之一。在18世紀的前60年中，幾乎所有的樂器制造商都在結合長笛的諸多方面對音孔進行試驗，主要的試驗點：管體的整體尺寸、吹奏孔和音孔的直徑、音孔內部底切的大小和間距、制作管體所使用的材料、管壁的厚度以及對聲音方面的影響都做了大量的研究。最終發現音孔錐度收縮的規則程度、位置、內部底切的形態及管的長度，都是決定了樂器整體的基本視覺和聲學重要比例的決定性因素。雖然有了大量的實驗供樂器制造家去研究新的改良制作方法，但是即使在同一時期的同一座城市，長笛管體很多方面的重要設計、制作的要求都沒有得到一個統一的標準，也說明了這與樂器制造家在自己職業生涯中的各個不同階段的制作理念有著直接的聯系。顯然他們的想法不盡相同，這就帶來了18～19世紀的歐洲長笛即使音鍵數量的增加，也存在聽覺和功能上的多樣化。

古典主義時期歐洲長笛的制作開始使用批量生產的技術，在管體的結構方面出現了新的改進，三段一音鍵式巴洛克早期的長笛樣式成為了長笛管體結構后期改革及進一步向前推進的標準。它的出現早期流行于法國，管體的結構設計、外觀的修飾都與法國巴洛克時期的典雅、精致的風格息息相關。除此之外，在演奏方面也有別于文藝復興時期的長笛，主要體現在八度音階演奏時聲音較為柔和而具有精美的表現力，音色甜美而富有穿透力。雅克·馬丁·霍特泰爾（Jacques Martin Hotteterre）風格的笛子被譽為這一時期的典范。

三段式長笛的結構主要分為：吹奏部、管體中心部、尾部管。它們是通過榫卯的組合方式進行管體組裝，并在中心部兩端的榫頭上用線和蠟做包裹，目的就是為了管體組合后兩端接縫處有更好的密封性，六個指孔主要位于管體的中心部。該樂器組裝的一般要求是：組裝后吹奏孔與指孔呈一條水平面上，尾部音鍵要向內側偏移，目的為了右手小指更加便捷的操作運指。雖然巴洛克式的長笛在當時管體有較多的尺寸，但是最常見的一種是D調長笛，它的音域范圍可以演奏到最低音的?D音為止，（實際演奏法是六個指孔全部按塞指孔后為低音D音，在此指法的基礎上打開尾部的一音鍵就可以發出?D音，該音鍵還可以通過交叉指法獲得其他的音高）。三段式長笛的出現改寫了以往長笛的結構形式，雖然這種結構的變化對長笛的音量、音色、音域拓展等方面都起到了一定的推動作用，但是在整體音調的變化方面還存在一定的局限性。在當時三段一鍵式長笛大都屬于D調樂器，它的出現是長笛管體結構發展的一次新的轉折和變革，對長笛結構的整個發展歷程起到了向前推進的重要作用。

圖4 1982年由羅德瑞克·卡梅倫（Roderick Cameron）仿制巴洛克時期法國巴黎郵票上印制的Hotteterre長笛。樂器產生時間大約為1700年，管體由黃楊木和象牙制作而成，并帶有一個銀制的音鍵。A=392Hz

結語

科學技術的發展推動了藝術、工藝和科學的相互交融，使眾多的樂器制造家以科學理論為依據，并在實際的運用中加以實現對長笛的管體結構、指鍵的發展做深入的探討和試驗。無論從管體整體的尺寸、吹奏孔和音孔的直徑、音孔內部底切的大小與間距，以及音鍵整體結構的設計等方面都做了大量的研究，并在實際的制作中加以總結、完善和革新。目的為了使長笛的管體結構更趨于合理化，使用更加的便捷，在實際運用中突出樂器獨有的性格特點，同時在聲音方面能夠獲得輕松、明亮而不失柔和的統一效果。

圖片來源：

由于國內對長笛管體結構方面的研究資料較少，文中圖片1-5分別來源于國外網站pinterest.co.uk（圖1-2）；ajuntament.barcelona.cat（圖3-4）。

注釋：

①Cps: Counts per second(每秒的計數)，這個單位作為質譜的強度。

②胡克定律：彈簧的伸長量與所受的力的大小成正比，也是力學彈性理論中的基本定律之一。