有关乐器声学与新型钢琴声源结构的探索

一、声学典籍中有关乐器的记载 

　　在我国古代的典籍当中，有关于声学的文献相当丰富，这些文献资料同时也是音乐文化的典籍。内容主要有音乐史、音乐理论、乐器史、乐律学、乐器制造及演奏等方面。《四部全书》中经部的《书》、《诗》、《周礼》、《礼记》、《春秋左传》等都能在其中找到与声学有关的早期内容；史部中的《律历志》或《音乐志》是必读的声学史料；子部艺术类的音乐之属是与律学、乐器学、音乐声学关系密切的著作。 

　　乐器的制作离不开声学原理，我们都知道，凡是声音都具有高低、强弱、长短、音色等特性，一件乐器所使用的物质材料不同，那么它所发出的音色也就不同。在物理学上，音色与发声频谱、波形、振幅有关。《礼记·乐记》中叙述了金、石、丝、竹、革五种物质材料做成的乐器音色：“钟声鏘”，“石声磬”，“丝声哀”，“竹声滥”，“鼓鼙之声讙”。早在战国时期就有人对“中声”进行过讨论，“中声”其实就相当于我们现代钢琴中央区的发音问题。在战国末期成书的《吕氏春秋·仲夏纪·适音》中有这样的观点：“夫音亦有适”；“太钜、太小、太清、太浊”，“皆非适也”。只有高、低、强、弱适中的音才能称之为“中声”。从这些记载来看，我们可以知道当时的人们规定“中声”有两个必备因素：高低、强弱。 

　　二、乐器制作中的选材 

　　北宋的沈括在《梦溪笔谈》中总结了琴材特性与琴的音色密切相关，同时他也第一个认识到材料的传声没有选择性，它可以传播任意音调的声音。他的“材中自有五音”，是指物质材料本身能发出诸多乐音。“又应诸调”是指该材料能够传播各种调式的声音。任何一种天然材料都有能传播声音的特点，如果没有这一特点，琴弦发出了声音，而它的面板材料不予传播，共鸣箱体不与之呼应，那这种声音将是音乐欣赏中的一大悲哀。在沈括后，宋王室之子赵希鹄在其著《洞天清录集》中详细叙述了琴材与其发声的关系。琴声效果与其选用的木料的关系，就像今天选购钢琴，总要仔细挑选钢琴各方的面板是否“纹理条条如丝线密达而不邪曲”。如果面板好，琴槌和琴弦又没毛病，那么这钢琴的音质、音色就属上乘。 

　　不同的乐器都有其所要求的不同材料，沈括和班固都注意到了这一问题，为什么古人制乐器，用铜制钟、用石制磬？在《汉书·律历志》中，该书作者班固征引刘歆的话：“铜为物之至精，不为燥湿寒温变其节，不为风雨暴露改其形。”这句话前半句意思是：铜不因温度和湿度的变化而发生胀缩现象。这显然不对，因为铜的膨胀系数比铁大，按此原理，应该是“铁为物之至精”。然而当时的科学家们正确地看到，铁容易生锈，其危害要大于铜的热胀冷缩。同理，现代钢琴中的高、中音琴弦都由钢丝制成，低音琴弦由钢丝加紫铜缠丝制成，而非选用其他金属制。 

　　三、乐器与振动 

　　我们从分析乐器入手，从物理学角度来认识一下物体的振动。古代中国人早在春秋末期已经知道声音的来源及音调的高低是由振动决定的。《考工记·凫氏》在述及钟体的设计与制造时，曾写道：“薄厚之所振动，清浊之所由出。”这说明最晚在公元前6世纪下半叶到公元前5世纪初已有“振动”一词，而且人们已将“振动”现象与钟壁厚薄、音调的高低联系起来，正确地认识到它们三者之间的关系：钟壁的厚薄决定了其振动的缓与烈或振幅的大与小，而这又是音调高低的依据。由此可见，振动产生声音的看法，对古代中国人来说并不陌生。 

　　古代人们创制了很多弦乐器，他们都有着丰富的调音经验，在长期的实践中，他们都遵循一个弦振动原理，弦长、张力、丝线的密度与弦振动的频率密切相关，改变弦长、张力、丝线密度中的任何一个因素，弦振动的频率都会发生变化。尤其是对同一弦线来说，当张力固定不变时，弦上音调的高低仅仅决定于所取弦长。这正是古代乐律学和定律法的物理依据。宋代何薳《春渚纪闻》说：“缓其商弦，與宫同音。”改变弦的张力就可以改变其音。古代文献中大量的有关记载，表明古人在演奏实践与理论中都认识到张力与音调的比例关系，准确地说，音调与张力平方根成正比。他们还直接将线密度看做弦粗细，并做了一系列的规定，以组成弦线的丝数保证其粗细有序。早在战国时期，人们就以文字的形式记录了音调与线密度的比例关系，准确地说，音调与线密度平方根成反比。唐代司马贞指出：“宫弦最大，用八十一丝”；商弦“用七十二丝”；角弦“用六十四丝”；徵弦“用五十四丝”；羽弦“用四十八丝”。他所记述的是古代传统定弦粗细的方法，各音所在弦的丝数与其三分损相生的长度值相同。此外，古人还以“缠弦”法解决线密度问题。沈括曾指出：“琴中宫、商、角皆用缠弦，至徵则改用平弦”，“琴虽增少宫、少商，然其用丝各半本律”。缠弦即指在弦线外再用线缠绕之；平弦指不再外加缠弦的弦。弦乐器的低音用缠弦，这个方法被今天的钢琴等弦乐器所普遍使用。 

　　四、钢琴的发声原理 

　　众所周知，钢琴是一种击弦打击乐器，在它的制作过程当中，很好的把科学性和音乐性融合在一起。钢琴制作师在钢琴上采用了以弦槌击弦发音的机械装置，这一装置是手指通过触键来直接控制琴声的变化，使钢琴的声音更富有表现力，同时极大地丰富了钢琴的音响效果。所以早期钢琴的标志与象征便是弦槌击弦发音。后来制造师对击弦机的结构进行了深入的改革，在原来的机械当中，安装了一种起动杠杆，这种装置与现代击弦机的复震杠杆系统几乎是一样的，它可以使击弦的速度提高到原来的10倍，可以连续的快速弹奏；并且扩大了音域，增加为4组。我们可以把它看作是现代钢琴的雏形。简单的说，钢琴的发声原理就是用手操作键盘驱动打击钢丝线产生声音，可以通过踏板的方式调轻声音或使之持续不断。

    钢琴发音原理最简单的解释便是，手指触键通过机械传导的榔头去击弦而发音。在实验当中，当我们弹某一个钢琴键时，和它相对应的弦槌则会被带动去敲击相对应的琴弦，从而引起琴弦的振动。这一振动通过弦码，传递到音板和响板上，响板是钢琴琴体内最后面的一块大的金属钢板，它会使声音产生双重共鸣，声音通过响板反射并且扩大出来。音板是一块比较大的薄木板，当琴弦振动时，音板表里两面的空气就会形成疏密不均的波，这就产生了我们感官上所能听到的音。琴弦振动包括全弦振动与分段振动两种，全弦振动所产生的是基音，分段振动所产生的是谐音。谐音的多少以及其相对的强度决定着一架钢琴音色的优劣。 

　　弦槌对钢琴音色来说也是极为重要的，一副好的弦槌可以在很大程度上改善钢琴的音色。弦槌的作用是使钢琴上的共振系统，由理论转化为实践，钢琴的音色在很大程度上取决于槌头击弦的位置。通过长期的实践和经验，设计师们对中音以下的琴弦的击弦点做了规定，他们通常把击弦点定在弦长的1/8处。这个击弦点并不适用于较高的音，根据实践经验，从中音向高音，击弦点这个数字应该逐渐成为一个较小的分数，在最高音的时候，一般会采用1/14到1/16的点位。 

　　我们都知道琴弦是钢琴的声源，但是音板的作用也是不容忽视的，如果没有音板对琴声的共鸣和反射，我们听到的声音将会是微弱的钢丝振动的声音。正是因为有音板，它的结构、选材以及制作工艺才使钢琴发出優美的声音。例如：古筝和古琴、长笛和竹笛音色完全不一样，就是因为它们有着不同材料的共振体。世界上没有两块完全相同的材质，同样也就不可能有两件音色完全一样的乐器。而就手工制作来说，更不可能有完全一样的手工工艺。因此，音板的好坏决定着钢琴音色的优劣。而音板的好坏则取决于它的材质和加工过程的制作工艺。 

　　我们前面说过，钢琴的音色要受琴弦分段振动所产生的谐音的影响，而这个谐音也同时受到音板和弦码的影响，比如音板各部位的薄厚、框架的固定程度，肋木的安装位置、粗细、数量、以及两端的形状，弦码材质的软硬、形状、高度、衔接部位的连接方式等等，都影响着音色。由于弦码、肋木、音板振动、手工制作的复杂性，导致世界上没有一架音色完全相同的钢琴。 

　　五、关于新型钢琴声源结构的探索 

　　当前，国内外都普遍采用在码桥上使用的弦码钉，钢丝经过弦码钉处会形成一个角度，钢丝经过弦码时有一个向下的压力来达到发声。比如在一个名称为“立式钢琴音源系统结构”的申请文件中，描述了这样一个技术方案：包括铁排、琴弦、弦轴钉、弦轴板、音板、肋木和码桥，218个弦轴钉分别固定在弦轴板上，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，码桥包括中高音区码桥和低音区码桥，中高音区码桥和低音区码桥上共设有上下两排钉，琴弦的一端固定在弦轴钉上，另一端固定在铁排下弦钉上，琴键标号1号至琴键标号30号对应的弦轴钉位于低音区，琴键标号31号至琴键标号58号对应的弦轴钉位于中音区，琴键标号59号至琴键标号88号对应的弦轴钉位于高音区。 

　　在实际安装过程中，由于发音板震动频率有限，使钢琴的发声无法完全释放出来，限制了钢琴的音色。 

　　为了解决这个问题，我们设计了一种用于钢琴的声源结构，可以减少低音琴弦对声源音板所产生的压力，从而使钢琴的音板得到更充分的震动。这种声源结构的技术方案为：码桥下端安装有一弹簧层，弹簧层由若干弹簧构成，每个弹簧的钢丝外均套接有硅胶套，每个弹簧都竖直安装，上端通过上螺纹杆与码桥下底面螺纹连接，下端通过下螺纹杆与音板上地面螺纹连接，码桥上端设有弦码和琴弦，琴弦通过过桥结构与弦码相连，过桥结构包括支架、琴弦固定轴和卡扣，支架通过螺栓固定在弦码上，支架为弧形结构，两端设有凸起的弧形支点，卡扣位于支架上方，琴弦固定轴外套接有软胶套，卡扣内设有琴弦固定轴，琴弦设置于内卡扣并通过琴弦固定轴进行固定。软胶套上设有琴弦固定槽，与琴弦大小相匹配。卡扣为金属构件，呈弯钩状。 

　　这样的声源结构可以减少低音琴弦对声源音板所产生的压力，使钢琴的音板得到更充分的震动。在实际制作过程当中，还可以进行一些合理的改进。