《钢琴的物理结构及张弦系统的力学分析.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢琴的物理结构及张弦系统的力学分析.doc（13页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、钢琴的物理结构及张弦系统的力学分析厘蛩哪No.2,2007Accumulat咖edNo6.2v0钢琴日物理结构及张弦系统的力学分市Iif大连大学刘金寿刘远【摘要】运用物理学原理,阐述了钢琴的物理结构与声学系统组成,分析了琴弦的声学特性及其谐音列,并对钢琴音源的力学稳定性做了独到而系统的分析.【关键词】钢琴结构声学系统钢琴音源AbstractSctureofpianoanditsacousticconstituteswereillustratedbymeansofphysicstheories.Theacousticfeaturesofthestringsandtheirpartialtonea
2、rrangementwereanalyzedinthepresentwork.Furthermore,anoriginalandsystemicanalysisfortheacousticsourcestabilitywasmadeaswel1.KeyWordsstructureofpiano,acousticsystem,acousticsourceofpiano钢琴是结构最为复杂,功能最为强大的乐器.它由音源,共鸣及支撑三大体系构成.调琴师在谈到钢琴结构时,通常将它分为弦列,音板,支架,击弦机,踏瓣装置及外壳等六大部分;而钢琴制造厂家则习惯于把钢琴分成张弦组件(码克),键盘机械(含击弦机)
3、,踏瓣机械,外壳四大部分,这种分法不乏生产工艺流程的色彩.如果将其尽可能地拆分为一个个独立的基本部件,数量不少于一万个.从物理声学的角度看,钢琴是一个由激励,弦振,传导,共鸣,辐射,调控六大系统构成的声学仪器(见图1).击弦机是激励系统,弦列为基础声源,马桥为基本的声传导系统,琴体,音板及空腔构成了共鸣系统,音板担负了主要辐射功能.1钢琴的物理结构钢琴的基础音源是琴弦,演奏者通6O过激发琴弦振动的方式,令琴弦产生原始乐声.共鸣及辐射系统则对来自琴弦的原发性声波产生响应,利用声学共振原理使声波的振幅放大,透过材质的滤波,将声波大面积地辐射出去,从而使乐器的音色得以润饰,音量得以集中和增强.一般弦
4、乐器的共鸣体通常为板或膜,以及有固定形状的空腔.钢琴的共鸣系统首先是音板,其次是外壳围成的空腔和作为支撑体的主要部件.演奏者在缓慢而轻柔的演奏中不难发现,木质的琴键也在随着音源的激励发生着共振.高品质的钢琴不排除对琴壳,琴键及铁木框架以及冗余弦段等材质共鸣的开发利用.支撑系统的作用则是为发音体,共鸣体的振动提供必要的力学支撑,延缓振动的衰减,并为演奏创造良好的环境,定位及技艺施展的条件.钢琴的支撑系统主要有外壳,铸铁骨架,弦轴板,后背架,琴键中盘等.力学性能显示,张弦的铸铁骨架和弦轴板是极为重要的支撑体,因为在标准音律状况下,它们承受了220余根琴弦的近20吨的强大张力.弦轴板镶嵌在铸铁框架上
5、,铸铁骨架则依附于粗壮的木质后背架,将来自琴弦的应力尽可能地分散和释放,支撑和保持了琴弦张力的稳定,从而保证了音准的稳定性和可靠性,为乐音的发生,传输和共鸣提供了稳定的环境.可以这样描述钢琴的声学过程:弦槌敲击琴弦使之产生声振动,马桥把这种振动传输给音板,音板则将琴弦的原发声波经过加工,改造,过滤,放大后辐射出去.与此同时,整个琴体及空腔放大的声波也产生了复合型共鸣.在乐音的产生训髦蒲辐射的过程中,铸铁骨架,后背架,外壳及键盘架(中盘)等除了起主要的支撑,保障作用外,也不乏声学共振作用.正是这种声学过程中所独有的敲击,加工,改造和铁木材质的共鸣,才使钢琴产生了无与伦比,无可比拟和与众不同的音色
6、特性.音板对钢琴的音质至关重要,它不仅能弦振动的各种成分进行有选择地响应,突出一部分谐音,抑制另一部分谐音,从而完成音色的调制,而且它还能将被调制的声波大面积地辐射开来,有效地增强乐音的音量.键盘击弦机系统实际上是一架位移换向放大器,它不仅能将手指的位移,弹击放大,而且还能够将手指弹击的位移改换成弦槌击弦的位移与撞击.踏瓣系统则担负着脚的动作音效控制的传递与调控.2音源与张弦系统的力学分析钢琴的基础音源是琴弦,马桥和音板则可以看作二级音源.音准的基本要素取决于琴弦张力的量值与稳定.琴弦张力的准确要靠调律师的技能和水平,琴弦张力的稳定则要靠马桥,音板,铁木框架的质量与结构.下面来做一点分析.图2
7、是一根琴弦张挂的示意.一根绷紧的琴弦才能使之产生振动,不同的张力对应每根琴弦振动时所产生的不同的谐波群(谐音列).当调琴师用琴扳张紧了琴弦后,他就以做功的方式完成了能量的输入,将做功的动能输人保存到了琴弦的张力势能之中.分析每一个影图3单音弦组和马桥别弦钉响琴弦张力的支撑与稳定因素,对于钢琴音源和码克的设计制作以及成品钢琴的调律,都是大有裨益的.(图中序号表示的部件分别为:l弦轴,2琴弦,3压弦条,4弦枕,5马桥,6别弦钉,7挂弦钉,8铁骨,9音板)2.1琴弦张力的支撑点虽然钢琴琴弦的有效振动长度由弦枕和马桥的上别弦钉(见图3)之间的弦长来计算,但是支撑琴弦张布的最主要的支撑点(拉弦点)是弦轴
8、和下弦板挂弦钉.40120千克不等的各弦的张力直接牵拉着每根琴弦两头的弦轴和挂弦钉,所以弦轴板咬拿弦轴的握轴力,下弦板挂弦钉的抗拉,抗变型,抗断裂的支撑能力,是影响琴弦张力稳定的第一要素,也是评价钢琴品质的一个重要踩分点.在实际的调律,修琴中发现,下弦板挂弦钉出现问题甚至断裂的情况虽然偶有发现但很少见(笔者在几十年中见到过两例),倒是弦轴板的握轴力不足甚至丧失的情况较为多见.这种情形多见于陈年老琴,弦轴板质量低差或弦轴孔不合规范的劣质琴.遇到了这样的琴,频繁调律成为必然,因为弦轴板轴孔的咬拿力不足或丧失,使弦轴难以阻滞来自琴弦巨大张力所产生的扭转力矩.琴弦的张力势能使弦轴打滑,弦张力降低甚至消
9、失,从而导致了严重走律,而弹奏发生的振动更是助长了这种趋势.遇此症状必须根治才能解决问题.琴弦张力的第二个支撑点就是马桥.由于马桥略高出于琴弦两端拉弦点之间的直线,所以绷紧的琴弦对它自然产生了一个向下的正压力.该压力又通过马桥传递到音板上,音板又通过上凸的弧形表面将这压力分散到音板的边界框架上.于是,稳定结实的后背架和铁骨架对琴弦的张力起到了最终的平衡与支撑.来自铁木框架因受压形变而产生硒哪No.2,2007Accumulat咖edNo6.2v0的反作用,平衡了马桥传递下来的琴弦压力,进而使琴弦的张力维持了平衡.弦轴,挂弦钉和马桥顶面维系了琴弦张力的平衡.这一平衡过程是在调律师的多次调律(做功
10、)中逐渐建立起来的.在这一过程中,倘若铁木框架发生了突变,音板发生了下陷,马桥出现了裂隙,都会破坏琴弦原有的平衡,使其张力发生突变,从而引起钢琴走律.2.2弦枕对张力的影响钢琴的弦枕一般有两种.一种是直接铸造在铁骨上的横截面为三角形的条状突起,为了保证琴弦不在这种弦枕上随意滑动,在其上方还配置了压弦条,将琴弦紧紧压向弦枕条(见图2).另一种是将压弦条和弦枕合二为一的铜质弦枕栓,每一个弦枕栓对应一个单音弦组,亦即每一个弦枕栓分别具有三,二或一个穿弦孔.这种弦枕拴排列成一行,直接固定在铁骨上.其上的穿弦孔眼的眼边成了琴弦的固定支点,与马桥弦钉一起撑起了有效的振动弦长.琴弦压在这两种弦枕上,既不能左
11、右打滑,也不能过于阻滞因调弦造成的琴弦伸缩.倘若压弦条,角状弦枕过于粗糙,就会对琴弦产生过度的阻滞力,从而使调弦时产生的琴弦伸缩,扭转等形变难以有效地传递和分散到整个弦长,为琴弦张力的稳定埋下隐患.当这类应力的积累达到了爆发的程度,或者遇到了合适的条件(振动,敲打),被阻滞的应力就会在瞬间释放,直接的后果就是导致琴弦的张力突变,发生了音律的剧变.这种倾向有点类似地震的发生.2.3马桥对琴弦振动传输的影响马桥既是琴弦振动的一个支点,也是琴弦振动能量的第一传递者.它将调准的琴弦受激产生的谐波群直接分散,传递到音板上,通过音板的谐振,滤波,放大和辐射,产生了动听悦耳的钢琴乐声.通常的钢琴有长,短两条
12、马桥,高62音区和中音区使用一条长桥,低音区使用一条短桥(见图4).由于中音区和部分次高音区的弦长较适中,使得马桥的位置比较接近音板的中部,因而一般钢琴的中,高音都有较为良好的传声,谐振和辐射特性.最高音区(CC)以及最低音区(A,C),琴弦下压的马桥接近音板的边缘,声波的能量难以有效地传递,分散到音板的大面积上,从而得不到较为充分,良好的谐振,调制与辐射.在钢琴制造中常常采用一些调整和修正的方法,例如给低音区马桥加一快过渡性支撑板条;将最高音区的马桥与音板结合部的上半部分掏空,使马桥接触音板的区域相对向音板中部靠拢;增长最高音区的有效弦长,开发金属部件的共鸣等.采取这些措施的目的无非是为了使
13、声波尽量传向音板的中部,使之得到良好的调制与谐振,以便辐射出悦耳的琴声.马桥最主要的功能是向音板传输声波,它还有向音板分散,传递琴弦压力的功用,因而它最适合用实木制造.一些厂家在设计制造时,为了降低成本和工时,为了提高抗形变的能力,采用多层的胶合板来制作马桥.这种马桥的力学性能可能会好些,但声学性能肯定会下降.因为胶合板各层纤维的各向异性,虽然能够增强抵抗形变的能力,却会阻碍,耗散声波传导.2.4音板,马桥的弹性形变对琴弦张力的影响如前所述,音板通过马桥承受了来自琴弦的巨大压力,并且两个条状的弧形马桥尽可能地将这种压力通过肋木分散到音板的大部分面积上,向弦列一侧凸起的音板弧面,又将这种压力分解
14、到音板四周的框架上(见图4).不管后背框架设计制作得如何结实和坚固,也不管音板凸起的弧面设计制作得多/厶巧妙和精良,它们都无法逃脱这种来自琴弦的压力给它们造成的形变.只有以形变产生的应力,去抗衡马桥带来的压力,并经过多次反复的较量,最后才能达到相对的平衡.这一平衡态的建立,是一个缓慢持久的动态过程.从钢琴厂的技师第一次给码克上弦开始,这种形变就开始了.绷紧的琴弦给马桥和音板施以压力,压力使马桥,音板发生形变,形变造成了琴弦张力的驰豫,张力的降低又导致了音高的下降.于是调律师就第二次调律,将琴弦再次绷紧,继续重复上述循环过程经过调琴师与钢琴的多次反复较量,便建立起了一个琴弦压力与马桥,音板反弹力
15、的平衡,终使琴弦的标准张力得以趋稳,于是一个准确而持久的音高就诞生了.这就是琴厂出产的钢琴,为什/厶需要经过有间隔的6次以上的调律的重要原因.需要指出的是,马桥和音板的形变绝不是初生新琴爱走律的惟一原因.在琴弦巨大张力的压迫下,许多部件都会发生形变,诸如弦轴,挂弦钉,压弦条,弦码钉(别弦钉),弦枕,铸铁架等,只不过它们的形变比起长长的马桥和宽大的音板要小许多,故这些部件的形变对张紧的琴弦的松驰的影响,甚至可以忽略不计.尽管有人声称他们制造的钢琴稳定持久,绝不会发生音板,马桥的形变但是在精密的物理实验面前,这类宣传犹若谎言.在力学实验室里我们可以观测到,当我1门的手指轻轻地触摸一下刚性十足的钢板
16、或玻璃板时,以激光为手段的微小位移测量仪就立即显示出钢板或玻璃板发生了形变,而且还能给出定量的数据.由此,还有什/厶理由怀疑巨大的琴弦张力会引起包括音板,马桥在内的各支撑体的形变呢?2.5琴弦的弹性及范性形变对自身张力的影响琴弦的弹性形变和范性形变也是影响琴弦张力稳定的一个不容忽略的因素.一般琴弦的振动方式与状态较为复杂,包含了横振动,纵振动,扭转振动和倍频振动等几种模式.通常人1门用眼能够观察到它的横振动,却难以看到其纵振动,扭转振动和倍频振动.对于钢琴而言,坚固的铁木框架,稳定的挂弦支点和端点都提示我们可以忽略其弦的倍频振动.由于粗,重,长的低音弦在发声时其振动的能量和幅度较大,所以会产生
17、具有明显影响的纵振动,这也是低音弦的谐波群为什/厶更为复杂以及校准低音比校准中高音更困难一些的一个原因.占弦列多数的中,高音琴弦基本属于细长,柔顺弦的范围,因而可以忽略其纵振动的影响.激发钢琴音源发声的独特敲击方式,基本不会引发琴弦的扭转振动.这表明,在对钢琴的弦列进行设计和计算时,除了最低音区外,基本可以遵从横振动的模型,而忽略其他的振动模式.建立在弹性模量基础上的横振动模式,可以为钢琴弦带来周期性的张力变化.在现代钢琴坚固的铁木框架和稳重的张弦结构以及科学的抗应力设计面前,这类周期性的张力变化基本可以被化解,对琴弦谐音列的基频不构成明显的影响.相反,这类张力上的微小震荡,能够导致谐波群落发
18、生一些微量的频率漂移,给钢琴的音质添加独特的色彩,这也许就是钢琴音色独特的原因之一吧.琴弦的范性形变是一个对琴弦张力稳定不容忽视的影响因素.在设计和拉制琴弦时,无论取材和工艺都必须遵守使琴弦刚柔并济的原则.过度的刚性容易使琴弦断裂,过分的柔性又增强了琴弦的范性,导致了张力和音高的变化,增加了调弦的频度.处于标准音高时的每一根钢琴弦,承受了60-120千克力不等的巨大张力,这张力肯定会使琴弦发生范性的伸长,破坏了琴弦原有的张力.初装的新琴从第一次调律后,就开始了调一次跑一次的历程,调律师的多次反复做功,才能逐渐使音律趋于稳定.这其中,引发走律的因素固然很多,但琴弦的范性形变,是不容忽视的一个原因
19、.用琴扳输入动能使琴弦张力提升,弦音提高,张力提升又引发琴弦的范性伸长,范性伸长进而使张力和音高下降,音高下降又让调律师再次lIhSicaI1日SIrmenI实施调律如此反复多次,使琴弦的伸长逐渐趋于僵化,对琴弦张力稳定影响的诸多因素亦渐渐淡化减弱,这样一台钢琴从音律上才算达到了出厂的要求.走进用户家,一系列变化仍然在继续,只是已经比初装的新琴淡弱了许多.虽然如此,处于时效阶段的钢琴调律依然不能忽视,因为,从物理学上讲,将钢琴老化在标准状态下,对钢琴的使用寿命和再调律是非常有益的.固(责任编辑孟凡颖)参考文献1.韩宝强.音的历程现代音乐声学导论.北京:中国文联出版社,20032.张琨.钢琴的调律维修.北京:人民音乐出版社,19863.刘金寿.钢琴调律手法的力学分析.演艺设备与科技,2006(6):535563
