[转帖]弦乐器声学特征

一概述

在音乐声学中，“弦”指具有韧性的线体，没有韧性的线状体一般称为“棒”。以弦的振动为发声源的乐器，称为弦乐器。如提琴、胡琴、琵琶、古琴、钢琴等都属于弦乐器。在萨克斯-霍恩博斯特尔分类法中称“弦鸣乐器”（chordophones）。
人类大概在制造和使用弓箭的时候，就懂得了弦可以发出声响。从世界角度看，最古老的弦乐器出现在美索不达米亚地区（今西亚伊拉克的大部分地区）。在那里，考古学家从公元前3000多年的乌尔国王墓葬群中发掘出了9架里拉琴，还有竖琴①。由此可以推断，人类利用弦乐器演奏音乐至少已经有5000多年的历史。据《诗经》载，我国西周时期已有拨弦乐器琴（今通称“古琴”）和瑟（筝的前身，今已被筝所取代）。我国已发掘出的春秋战国时期的瑟已有数十件之多。战国时期流行的弦乐器还有筝和筑(以竹片击弦发音的弦乐器)。
从只有一根弦的独弦琴，到张有数百根弦的钢琴，所有形式迥然不同，音色千差万别，但从声学角度看，所有弦乐器都包含如下5种基本声学结构：
1. 激励系统，如小提琴的琴弓，钢琴的琴槌，弹竖琴的手指等。
2. 弦振系统，包括琴弦和张弦装置。
3．传导系统，如琴马。有些弦乐器传导系统和张弦装置合二为一，如竖琴、古琴、琵琶等。
4. 共鸣系统，用以加强弦振波的扩散。共鸣系统有的是板体，如钢琴的音板；也可以是一个腔体，如小提琴的琴箱。
5. 用于调整声音效果的调控装置。如调弦装置、钢琴的延音踏板，以及现代电子弦乐器的电子扩声装置等。

图1.小提琴声学结构示意图
弦乐器的发声原理可归纳为以下几个要点：
1. 由激励装置对弦进行触发，使弦振动发声。演奏家通过改变弦长（按指或改变弦序）和激励方式（演奏技巧）来改变弦乐器的音高、音色、音强和音长。
2. 利用共鸣系统来加强弦振动的声能扩散，增大音量。一般来讲，单纯弦的振动产生的声能辐射范围有限，音量很小，因此绝大多数弦乐器都经过共鸣系统来加强弦振动的声能扩散。除此之外，由于共鸣系统可以突出某一频段的声音能量，因此共鸣系统不仅可以扩大音量，而且还可以改变乐器的音色。从这个角度看，弦乐器共鸣系统的声学性能对弦乐器音质的影响是至关重要的，所以当乐器制造师想改一善件弦乐器的声音性能时，往往都是从共鸣系统入手。
3. 利用声学调控装置对乐器发声状况，如音长、音色和音量加以控制或改变。一般来讲，击弦乐器和拨弦乐器上的调控装置，主要用于控制音的时值，因为这类乐器的发声特点是，琴弦一旦被激发后，声音不能延续，调控装置所起到的作用，是对激发后的琴弦发声状态加以控制，以符合音乐作品中的时值要求。对擦弦乐器来说，由于发声状态一直被激励体（琴弓）所控制，故无需加装控制时值的调控装置。利用调控装置改变弦乐器音量和音色的例子也很多，如钢琴的弱音踏板、小提琴的弱音器都可以用来改变音量和音色。

二弦振动一般特性

弦乐器与管乐器之间在发声性能上最大的差异在于：弦乐器发音的音高完全由弦本身的振动频率来决定，而管乐器的音高是通过振动体和共鸣体的耦合来决定，由此而言，只要了解弦振动的一般特性，就能够掌握弦乐器在音高变化方面的规律。
当一根弦受激振动时，会同时产生三种不同类型的振动，即横振动、纵振动和扭转振动。弦的横振动，可以简单地理解为弦的上下振动，是最主要的一种振动方式。纵振动，可以简单地理解为弦长在作伸缩振动，这种振动方式的能量比横振动要小很多，但对弦振发声也会产生一定影响。扭转振动，可简单理解为弦以自身为轴心作扭转振动。这种振动主要出现在擦弦乐器上，而在击弦乐器和拨弦乐器上相对不明显。
弦的横振动产生的能量最大，对发声起到主导作用。弦的横振动的基频计算公式为：

（基频） f0 =

公式中，L = 弦长，T = 弦的张力，ρ = 弦的线密度（弦的粗细）。该公式假定弦无限长，无限细，在横振动中T、ρ和L不变，因此可以断定，上述公式只有在很小振幅振动时才成立。
由公式可知：假设弦的长度（L）越短，张力（T）越大，弦线密度（ρ）越低，则基频越高，通俗讲也就是音越高。这个公式对羊肠弦、金属弦和尼龙弦都适用。当然，不同材料的弦，张力（T）和线密度（ρ）是不同的，所以不同材料的弦，即使长度和粗细都一样，其发音高度也不会相同。
在实际应用上，所有弦乐器都是通过改变弦的长短、粗细、力和弦线密度来控制音高变化的，但不同乐器改变的方式略有差异，例如小提琴主要通过弦径、指位、把位的变化来改变弦长，进而改变音高，而竖琴则主要是通过弦的张力变化来进行转调。
扭转振动的能量很微弱，对弦的音高变化基本不产生影响，但会影响音色。所有的弦乐器中，擦弦乐器的音色变化一般要比击弦乐器更丰富，原因之一，就是擦弦乐器的弦振发声中含有一定的扭转振动成份，而击弦乐器几乎没有扭转振动的频率成份。
由于以上三种振动方式往往是同时产生，很难分离，这给弦乐器的音色研究带来一定困难：我们往往无法确定，影响某一种乐器音色的因素到底来自哪一种振动。从另外一个角度看，这种困难或许也正是乐器声学研究的独特魅力所在。
我们已经知道，在弦振动的谐音列中，随着谐音序号的增加，会产生一些不协和的泛音，如第10号泛音与基音就构成一个复增四度的音程关系（见图2）。这个泛音是弦被分成11段振动时产生的，如果我们在演奏时，选择有效弦长的1/11处作为激发位置，就可以使这个位置成为弦振动的波腹，从而抑制第10号泛音的振幅，削弱声音中的不协和成份，使音色更纯净。

图2. 弦的谐音列

弦的张力、弹性模量、刚性和材料密度不仅对发音高度有直接影响，同时对弦的谐音列成份也起一定作用。要想使琴弦发出某一规定的音高，可以有多种方法：或者调整弦长，或者改变张力，当然也可以调整弦线密度。理论上讲，无论采用哪一种方法，都可以达到预想的音高，但在音色上却有较大差异。以小提琴为例：我们想演奏小字一组的a1音时，至少可以用三种指法，一是在A弦上演奏空弦，二是在D弦的第三把位上用二指演奏，三是在G弦的第五把位上用四指演奏。（见图3）

图3.在不同把位演奏a1音示意图

了解小提琴的人都知道，这三种指法演奏的a1，虽然音高一样，但音色却截然不同：在A弦用空弦演奏的a1，音色比较明亮、松弛，这是因为此时A弦的长度、径度和张力三者都处于比较适中的状态；在D弦演奏a1，音色稍暗，略带紧张度，这是因为此时运用的指法使D弦弦长变短，径度和张力都有所增大；在G弦演奏 a1，音色更暗，紧张度和力度更为明显，因为此时弦长更短，弦的径度和张力都已达到较高水平。对小提琴非常了解的作曲家，经常在作品中特意标出指定的指法，就是为了获得某种特定的音色效果。
早期的琴弦以丝、肠衣等材料制成，当代多使用尼龙、金属等材料。有些传统的民间乐器还使用其它材料制弦，例如我国维吾尔族常用的传统艾捷克，是将数根马尾绞在一起作为琴弦。通常情况下，羊肠弦发声较纤细而柔和，金属弦发音比较明亮，丝弦和尼龙弦亮度居中。为了使弦获得均匀的张力，同时缩小弦的直径，保证弦的柔韧性，一般情况下，中音和低音弦都采用缠弦的方法制成，即在一根弦线外面再缠上一层或数层的细丝线。理想的琴弦应当既有一定刚性，以保证琴弦的具有较强的张力，同时还要具有一定的柔韧性和均匀度，以保证音色的柔美和统一。此外，考虑到演奏者手指和视觉的舒适性，弓弦乐器琴弦的表面还必须做到细致、光滑，色泽明亮，且没有氧化物带来的颜色污染。

三弦乐器类别
[擦弦乐器]
以弓和弦的磨擦作为弦振动激励源的乐器，称为“擦弦乐器”，或“弓弦乐器”。虽然各种擦弦乐器在形制上有很大差异，但在声学系统结构上大同小异。
所有擦弦乐器大致可分为激励系统（琴弓）、弦振系统（系弦装置）、传导系统（琴马）、共鸣系统（琴箱）和调控系统（调弦、控音装置）五个部份。
擦弦用的弓毛一般用马尾制成，在放大镜观察表面呈现鳞片状。为使弓毛具有更强的粘滞力，在弓毛上要擦上松香。运弓时，弓摩擦琴弦，以一定的压力和速度运动，这时，弓和弦之间的磨擦力使弦作横向位移，至一定幅度时，弦的弹性恢复力大于弓与弦之间的粘滞力，于是弦就以很快的速度向平衡位置反弹回来，并越过其平衡位置，在琴弓摩擦力的作用下，继续向相反的方向位移。达到一定幅度后，弦的弹性恢复力再次大于弓与弦之间的粘滞力，琴弦又快速向平衡位置反弹，如此便产生了周期性的弦振动。（参见图4）

图4.小提琴琴弓摩擦琴弦振动示意图

图例说明：
(a)-(b)：琴弦移位至一定幅度时，弦的弹性恢复力大于弓与弦之间的粘滞力，琴弦快速向平衡位置反弹；
(c)－(d)：反弹的琴弦越过平衡位置后，在琴弓摩擦力的作用下，继续向相反的方向位移；
(e)－(f)：琴弦位移达到一定幅度后，弦的弹性恢复力再次大于弓与弦之间的粘滞力，琴弦又快速向平衡位置反弹；
(g)－(h)：弓与弦的的摩擦再次使弦产生新的移位，如此便产生了周期性的弦振动。

擦弦乐器的发声强度与弓压、以及与弦接触的位置有很大关系。仍以提琴为例，通常情况下，弓压越强，音量越大。但若压力过强，使得琴弦反弹恢复力受到抑制时，声音不仅得不到加强，而且音色也会失真。论及提琴琴弓与琴弦接触的位置，不仅影响发声强度，也会影响提琴的音色。科学家Schelleng专门研究了大提琴琴弓压力和触弦位置对音量和音色的影响，结果如下图所示①：

图5.大提琴弓压和触弦位置与音色关系示意图

从图中可以看出：
1. 大提琴弓压最强可达10牛顿，最弱为0.1牛顿。
2. 琴弓在距离琴马2-5厘米左右处触弦，并且施加最大压力可以获得明亮的音色效果。
3. 琴弓如果在上述位置触弦，弓压适中（1牛顿左右），则可以发出正常的音色。
4. 琴弓如果靠近指板（距离琴马4-5厘米），且弓压小于1牛顿，则发出朦胧的音色效果。
当琴弓在有效弦长的1/11处（指板下沿与琴马的中间）触弦时，还可抑制与基音不协和的第10号泛音（即第11号谐音）的发声，因而可以获得最纯正的弦乐音色。但上述距离都是基于空弦而言，在演奏高把位的乐音时，擦弦位置应该随着有效弦长的缩短而往琴马方向靠拢。
有些擦弦乐器也使用弱音器以获得特定的音色效果。在提琴上，最常用的弱音器是像“山”字型的弱音器，使用时夹在琴马上，等于增加了琴马的载荷，使其不能充分振动和传导振波，从而达到“弱音”的目的。一般讲，弱音器并不能将所有频段的振波均匀减弱，譬如小提琴，加上弱音器以后减弱了1000-5000赫兹频段的谐波（相当于小字三组的c－小字五组的be），因为整个频谱发生了变化，因此给音色带来明显的影响。

[拨弦乐器]
以手指或拨子拨弦作为激励声源的乐器，称为“拨弦乐器”。
同擦弦乐器一样，尽管各种拨弦乐器形制各异，但在结构上依然可大致分为激励系统（手指或拨子）、弦振系统（系弦装置）、传导系统（琴马）、共鸣系统（琴箱）和调控系统（调弦、控音装置）五个部份。
其发声原理基本与擦弦乐器一样：拨弦乐器以手指（或拨子）将琴弦带离平衡位置，然后突然将弦放回，此时，弦的张力和反弹力促使弦以很快速度向平衡位置反跳回来并越过其平衡位置，弦的张力和弹力所产生的惯性使弦继续进行往返运动而产生声振动。振动通过琴马传至共鸣箱，声能由此而得到扩散。调控装置则用来调整每根空弦的音高。
从音乐声学角度讲，演奏拨弦乐器时，音高变化主要由弦的长度决定，音量变化主要由手指或拨子施加给弦的压力和拨弦速度决定，音色变化则主要由手指或拨子触弦位置及弹奏方式决定。而对于像筝那种无“品”的拨弦乐器来说，演奏者通过按压琴弦的方法，也可以改变音高。
与擦弦乐器不同的地方是，拨弦乐器是一次性激发弦振动，即拨一次弦发一个音，声音不能持续。每个音都有明显的始振过程和衰减过程，没有擦弦乐器的稳态过程。一般情况下，弦越长衰减过程越长，余音就越长。反之亦然。如果需要发生长值时的声音，就得对弦连续拨弹，称为“轮奏”或“滚奏”。但能否连续拨弹是有条件的，这主要取决于拨弹工具的形式，目前来看，手指和用偏软性材料制成的“指甲”是最理想的拨弹工具，如果材料偏硬，或形制偏大，都不利于“轮奏”技巧的发挥。

[击弦乐器]
以击弦为激励方式的弦乐器称为“击弦乐器”。根据结构上的不同，击弦乐器又可分为两大类，一类与前两种弦乐器一样，由激励、弦振、传导、共鸣和调控5个系统组成，如扬琴；另一类则又多了一套键盘控制系统，如钢琴。但二者发声原理完全相同：由击锤敲击琴弦，使琴弦产生振动，通过琴马传至共鸣体，声能由此而得到扩散。
击弦乐器在演奏时，音高变化主要由弦的长度决定，音量变化主要由击锤敲击弦的力度和速度决定，对于有键盘系统的击弦乐器来说，由于其击弦位置相对固定，如钢琴一般在有效弦长的1/7－1/9处，音色变化则主要由触键的力度和速度决定，对于无键盘系统的击弦乐器（如扬琴）来说，因为其击弦位置不固定，故还可以通过改变击弦的位置来改变音色。
对于击弦乐器来说，作为激励琴弦的的物体，其形状、质量、材料弹性和刚度对音色和音量有直接影响。就形状而言，最重要的是触弦面积的大小。一般讲，触弦面积与弦长成正比关系：弦越长，触弦面积应当越大。对琴弦数量不是太多的击弦乐器来说，如果琴弦长度和径度差异不是很大，琴槌形状无需变化。钢琴由于琴弦数量较多，最高音和最低音之间的弦长和弦径差距较大，故琴槌在形状上必须加以改变。

查看完整版本: [-- [转帖]弦乐器声学特征 --] [-- top --]

Powered by PHPWind v7.5 SP3 Code ©2003-2010 PHPWind
Time 1.073201 second(s),query:1 Gzip enabled

You can contact us