有關樂器聲學與新型鋼琴聲源結構的探索

馬曉婕 馬曉嬋

（大同大學音樂學院，山西 大同 037009；大同北岳中學，山西 大同 037044）

有關樂器聲學與新型鋼琴聲源結構的探索

馬曉婕 馬曉嬋

（大同大學音樂學院，山西 大同 037009；大同北岳中學，山西 大同 037044）

在物理學中，聲學是發展最快、內容最豐富、理論最完備的學科之一。在古代的東、西方，音樂與聲學，實際上是同一個門類的學科，而今天卻被人為地劃分為兩個完全不同的學科，“聲學”實際上是在音樂這塊肥沃的土壤中產生的。本文將從樂器制作的角度探討樂器的發聲以及相關的聲源結構。

樂器聲學；新型鋼琴；聲源結構

一、聲學典籍中有關樂器的記載

在我國古代的典籍當中，有關于聲學的文獻相當豐富，這些文獻資料同時也是音樂文化的典籍。內容主要有音樂史、音樂理論、樂器史、樂律學、樂器制造及演奏等方面。《四部全書》中經部的《書》、《詩》、《周禮》、《禮記》、《春秋左傳》等都能在其中找到與聲學有關的早期內容；史部中的《律歷志》或《音樂志》是必讀的聲學史料；子部藝術類的音樂之屬是與律學、樂器學、音樂聲學關系密切的著作。

樂器的制作離不開聲學原理，我們都知道，凡是聲音都具有高低、強弱、長短、音色等特性，一件樂器所使用的物質材料不同，那么它所發出的音色也就不同。在物理學上，音色與發聲頻譜、波形、振幅有關。《禮記·樂記》中敘述了金、石、絲、竹、革五種物質材料做成的樂器音色：“鐘聲鏘”，“石聲磬”，“絲聲哀”，“竹聲濫”，“鼓鼙之聲讙”。早在戰國時期就有人對“中聲”進行過討論，“中聲”其實就相當于我們現代鋼琴中央區的發音問題。在戰國末期成書的《呂氏春秋·仲夏紀·適音》中有這樣的觀點：“夫音亦有適”；“太鉅、太小、太清、太濁”，“皆非適也”。只有高、低、強、弱適中的音才能稱之為“中聲”。從這些記載來看，我們可以知道當時的人們規定“中聲”有兩個必備因素：高低、強弱。

二、樂器制作中的選材

北宋的沈括在《夢溪筆談》中總結了琴材特性與琴的音色密切相關，同時他也第一個認識到材料的傳聲沒有選擇性，它可以傳播任意音調的聲音。他的“材中自有五音”，是指物質材料本身能發出諸多樂音。“又應諸調”是指該材料能夠傳播各種調式的聲音。任何一種天然材料都有能傳播聲音的特點，如果沒有這一特點，琴弦發出了聲音，而它的面板材料不予傳播，共鳴箱體不與之呼應，那這種聲音將是音樂欣賞中的一大悲哀。在沈括后，宋王室之子趙希鵠在其著《洞天清錄集》中詳細敘述了琴材與其發聲的關系。琴聲效果與其選用的木料的關系，就像今天選購鋼琴，總要仔細挑選鋼琴各方的面板是否“紋理條條如絲線密達而不邪曲”。如果面板好，琴槌和琴弦又沒毛病，那么這鋼琴的音質、音色就屬上乘。

不同的樂器都有其所要求的不同材料，沈括和班固都注意到了這一問題，為什么古人制樂器，用銅制鐘、用石制磬？在《漢書·律歷志》中，該書作者班固征引劉歆的話：“銅為物之至精，不為燥濕寒溫變其節，不為風雨暴露改其形。”這句話前半句意思是：銅不因溫度和濕度的變化而發生脹縮現象。這顯然不對，因為銅的膨脹系數比鐵大，按此原理，應該是“鐵為物之至精”。然而當時的科學家們正確地看到，鐵容易生銹，其危害要大于銅的熱脹冷縮。同理，現代鋼琴中的高、中音琴弦都由鋼絲制成，低音琴弦由鋼絲加紫銅纏絲制成，而非選用其他金屬制。

三、樂器與振動

我們從分析樂器入手，從物理學角度來認識一下物體的振動。古代中國人早在春秋末期已經知道聲音的來源及音調的高低是由振動決定的。《考工記·鳧氏》在述及鐘體的設計與制造時，曾寫道：“薄厚之所振動，清濁之所由出。”這說明最晚在公元前6世紀下半葉到公元前5世紀初已有“振動”一詞，而且人們已將“振動”現象與鐘壁厚薄、音調的高低聯系起來，正確地認識到它們三者之間的關系：鐘壁的厚薄決定了其振動的緩與烈或振幅的大與小，而這又是音調高低的依據。由此可見，振動產生聲音的看法，對古代中國人來說并不陌生。

古代人們創制了很多弦樂器，他們都有著豐富的調音經驗，在長期的實踐中，他們都遵循一個弦振動原理，弦長、張力、絲線的密度與弦振動的頻率密切相關，改變弦長、張力、絲線密度中的任何一個因素，弦振動的頻率都會發生變化。尤其是對同一弦線來說，當張力固定不變時，弦上音調的高低僅僅決定于所取弦長。這正是古代樂律學和定律法的物理依據。宋代何薳《春渚紀聞》說：“緩其商弦，與宮同音。”改變弦的張力就可以改變其音。古代文獻中大量的有關記載，表明古人在演奏實踐與理論中都認識到張力與音調的比例關系，準確地說，音調與張力平方根成正比。他們還直接將線密度看做弦粗細，并做了一系列的規定，以組成弦線的絲數保證其粗細有序。早在戰國時期，人們就以文字的形式記錄了音調與線密度的比例關系，準確地說，音調與線密度平方根成反比。唐代司馬貞指出：“宮弦最大，用八十一絲”；商弦“用七十二絲”；角弦“用六十四絲”；徵弦“用五十四絲”；羽弦“用四十八絲”。他所記述的是古代傳統定弦粗細的方法，各音所在弦的絲數與其三分損相生的長度值相同。此外，古人還以“纏弦”法解決線密度問題。沈括曾指出：“琴中宮、商、角皆用纏弦，至徵則改用平弦”，“琴雖增少宮、少商，然其用絲各半本律”。纏弦即指在弦線外再用線纏繞之；平弦指不再外加纏弦的弦。弦樂器的低音用纏弦，這個方法被今天的鋼琴等弦樂器所普遍使用。

四、鋼琴的發聲原理

眾所周知，鋼琴是一種擊弦打擊樂器，在它的制作過程當中，很好的把科學性和音樂性融合在一起。鋼琴制作師在鋼琴上采用了以弦槌擊弦發音的機械裝置，這一裝置是手指通過觸鍵來直接控制琴聲的變化，使鋼琴的聲音更富有表現力，同時極大地豐富了鋼琴的音響效果。所以早期鋼琴的標志與象征便是弦槌擊弦發音。后來制造師對擊弦機的結構進行了深入的改革，在原來的機械當中，安裝了一種起動杠桿，這種裝置與現代擊弦機的復震杠桿系統幾乎是一樣的，它可以使擊弦的速度提高到原來的10倍，可以連續的快速彈奏；并且擴大了音域，增加為4組。我們可以把它看作是現代鋼琴的雛形。簡單的說，鋼琴的發聲原理就是用手操作鍵盤驅動打擊鋼絲線產生聲音，可以通過踏板的方式調輕聲音或使之持續不斷。

鋼琴發音原理最簡單的解釋便是，手指觸鍵通過機械傳導的榔頭去擊弦而發音。在實驗當中，當我們彈某一個鋼琴鍵時，和它相對應的弦槌則會被帶動去敲擊相對應的琴弦，從而引起琴弦的振動。這一振動通過弦碼，傳遞到音板和響板上，響板是鋼琴琴體內最后面的一塊大的金屬鋼板，它會使聲音產生雙重共鳴，聲音通過響板反射并且擴大出來。音板是一塊比較大的薄木板，當琴弦振動時，音板表里兩面的空氣就會形成疏密不均的波，這就產生了我們感官上所能聽到的音。琴弦振動包括全弦振動與分段振動兩種，全弦振動所產生的是基音，分段振動所產生的是諧音。諧音的多少以及其相對的強度決定著一架鋼琴音色的優劣。

弦槌對鋼琴音色來說也是極為重要的，一副好的弦槌可以在很大程度上改善鋼琴的音色。弦槌的作用是使鋼琴上的共振系統，由理論轉化為實踐，鋼琴的音色在很大程度上取決于槌頭擊弦的位置。通過長期的實踐和經驗，設計師們對中音以下的琴弦的擊弦點做了規定，他們通常把擊弦點定在弦長的1/8處。這個擊弦點并不適用于較高的音，根據實踐經驗，從中音向高音，擊弦點這個數字應該逐漸成為一個較小的分數，在最高音的時候，一般會采用1/14到1/16的點位。

我們都知道琴弦是鋼琴的聲源，但是音板的作用也是不容忽視的，如果沒有音板對琴聲的共鳴和反射，我們聽到的聲音將會是微弱的鋼絲振動的聲音。正是因為有音板，它的結構、選材以及制作工藝才使鋼琴發出優美的聲音。例如：古箏和古琴、長笛和竹笛音色完全不一樣，就是因為它們有著不同材料的共振體。世界上沒有兩塊完全相同的材質，同樣也就不可能有兩件音色完全一樣的樂器。而就手工制作來說，更不可能有完全一樣的手工工藝。因此，音板的好壞決定著鋼琴音色的優劣。而音板的好壞則取決于它的材質和加工過程的制作工藝。

我們前面說過，鋼琴的音色要受琴弦分段振動所產生的諧音的影響，而這個諧音也同時受到音板和弦碼的影響，比如音板各部位的薄厚、框架的固定程度，肋木的安裝位置、粗細、數量、以及兩端的形狀，弦碼材質的軟硬、形狀、高度、銜接部位的連接方式等等，都影響著音色。由于弦碼、肋木、音板振動、手工制作的復雜性，導致世界上沒有一架音色完全相同的鋼琴。

五、關于新型鋼琴聲源結構的探索

當前，國內外都普遍采用在碼橋上使用的弦碼釘，鋼絲經過弦碼釘處會形成一個角度，鋼絲經過弦碼時有一個向下的壓力來達到發聲。比如在一個名稱為“立式鋼琴音源系統結構”的申請文件中，描述了這樣一個技術方案：包括鐵排、琴弦、弦軸釘、弦軸板、音板、肋木和碼橋，218個弦軸釘分別固定在弦軸板上，弦枕包括高音上弦枕、高音下弦枕、中音上弦枕、中音下弦枕I、中音下弦枕II、低音上弦枕，碼橋包括中高音區碼橋和低音區碼橋，中高音區碼橋和低音區碼橋上共設有上下兩排釘，琴弦的一端固定在弦軸釘上，另一端固定在鐵排下弦釘上，琴鍵標號1號至琴鍵標號30號對應的弦軸釘位于低音區，琴鍵標號31號至琴鍵標號58號對應的弦軸釘位于中音區，琴鍵標號59號至琴鍵標號88號對應的弦軸釘位于高音區。

在實際安裝過程中，由于發音板震動頻率有限，使鋼琴的發聲無法完全釋放出來，限制了鋼琴的音色。

為了解決這個問題，我們設計了一種用于鋼琴的聲源結構，可以減少低音琴弦對聲源音板所產生的壓力，從而使鋼琴的音板得到更充分的震動。這種聲源結構的技術方案為：碼橋下端安裝有一彈簧層，彈簧層由若干彈簧構成，每個彈簧的鋼絲外均套接有硅膠套，每個彈簧都豎直安裝，上端通過上螺紋桿與碼橋下底面螺紋連接，下端通過下螺紋桿與音板上地面螺紋連接，碼橋上端設有弦碼和琴弦，琴弦通過過橋結構與弦碼相連，過橋結構包括支架、琴弦固定軸和卡扣，支架通過螺栓固定在弦碼上，支架為弧形結構，兩端設有凸起的弧形支點，卡扣位于支架上方，琴弦固定軸外套接有軟膠套，卡扣內設有琴弦固定軸，琴弦設置于內卡扣并通過琴弦固定軸進行固定。軟膠套上設有琴弦固定槽，與琴弦大小相匹配。卡扣為金屬構件，呈彎鉤狀。

這樣的聲源結構可以減少低音琴弦對聲源音板所產生的壓力，使鋼琴的音板得到更充分的震動。在實際制作過程當中，還可以進行一些合理的改進。■