学术丨管乐器的发音的原理

学术丨管乐器的发音的原理
管乐器的发音,是由管内空气柱作周期性的振动所产生。

仅仅将气吹入管内,还是不能成声,必须在管口上有一定的装置或某种发音体,随着吹气发生迅速的、有节奏的、连续的一股一股的气流,激起管内空气柱的振动,形成驻波而发出乐音。

发音体因发音的方法不同,又可分为气簧、芦簧和唇簧三类:
1、气簧（Air-Read）由吹奏者呼出的气流本身作为发音体。

这一类的乐器有长笛、短笛、竹笛、箫等。

笛类的发音是依靠“边梭音”（Edge-tone）的原理。

当吹奏者用一股气流送向吹孔时,与该孔对面的尖锐边缘相碰,气流就开始分裂,约三分之一气流散发孔外,三分之二气流进入管内,发生漩涡而成声。

山涧流水经过石块边缘时,发生漩涡而成声,与风掠过旗杆时发生漩涡,使旗帜飘动’发声,以及大风掠过墙角,发
出萧萧声等,都是这种“边棱音”的原理。

2、芦簧（cane-read）它的发音体是芦苇簧片。

这一类乐器管中空气柱的振动是由特制的簧片帮助下发生的。

簧有单片的一如单簧管、萨克斯管、低音单簧管等。

双片的一如双簧管、大管、英国管、唢呐等。

这类簧片的下端固定在乐器上,而上端可以目由振动。

当呼出的气流进入簧片间的空隙或单簧的夹片间的窄孔时,根据柏努利（Bernoulli）定律“流速增加,压力减少”,这就是说,无论是气体或液体,当它们的流速增加,单位面积的压强就减少。

例如在二张纸间用力吹气,不仅不能将纸吹开,相反地,二张纸相互贴住。

这就是由于二张纸间的空气流速增加,压力减少的缘故。

又如1912年,一艘世界最大的远洋轮“奥林匹克”号和一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克”号在海洋中平行疾驶时,“豪克”号竟扭转头朝大船冲去,最后撞在大船的船舷上,出了事故。

尽管小船的驾驶员曾尽力想把船头转回,但并不能挽救这场危机。

原因就是由于当液体沿着一条沟向前流动时,沟的狭窄部分比宽广部分流得快,压向沟壁的压力也比宽广部分小得多。

这样当两艘船平行地向前高速行驶时,两船中间的水流速度比船的外侧要快得多,因之压力要小得多,于是“豪克”号在它外侧水的压力下迫使它向大船冲去,以致最后不可透免地撞在大船上。

同样的原理,当簧片中问的气流加快了,向两边的压力就减少了。

因此簧片就很快地闭起来,这时气流停止进入,簧片本身的弹性复将簧片开启,于是气流重又流入,又使簧片闭住,簧片的弹性又将它弹开。

这样簧片一开一闭地振动,造成向乐器口作周期的振动式的进气。

结果发生空气的疏密交替,形成了一定乐音的音波而发音如图1：
3、唇簧（Lip-read）它的发音体是人的嘴唇以唇代簧。

这类乐器
有小号、长号、圆号等铜管乐器。

管中空气柱的振动是由于嘴唇的直接作用。

它的成声原理与双簧管相似。

当肺内的气流送向号嘴时,将嘴唇的中央冲开,气流便进入号嘴,由于流速和嘴唇的弹性使嘴唇重又闭住。

气流又将嘴唇冲开,后又闭住。

这样一开一闭地振动,造成了向乐器嘴子作周期的振动式进气。

结果使空气发生疏密交替,激起乐器管内空气柱的振动,形成了声波而产生乐音如图2。

开管和闭管
管乐器的管，可分为开管和闭管两种管的，两端开口的称为开管，一端关闭的称为闭管。

开管的开口处,空气由密入疏,空气分子的振动最剧,因此开管的两端都是波腹,中间是波节。

它的基音波长是管长的两倍。

闭管末端的空气不能振动,总是波节,因此它的基音波长等于管长的四倍。

详图3。

在图4中,开管的两端总是波腹,因此甲管中只有一个波节，乙管中有二个波节，丙管中有三个波节,丁管中有四个波节,余类推。

甲管两波
腹间的距离是乙管的二倍丙管的三倍丁管的四倍。

它们的比例是1:1/2:1/3:1/4。

它们的音高是基音,高八度,高十二度和高两个八度。

因此开管可以产生所有的奇数和偶数的泛音。

闭管的一端总是波节,另一端总是波腹,因此甲管的波节至波腹的长度是乙管的三倍丙管的五倍丁管的七倍。

它们的比例是吉彭令。

音高是基音,高十二度和高两个八度又大三度等等。

因此闭管只能产生偶数的泛音，奇数的分音。

单簧管是属于闭管。

超吹时上面的第一泛音是高十二度而不是高八度,就是一个例证。

同样长度的开管和闭管,闭管的波长两倍于开管。

从而音高低一个八度。

我们可以用实验来证明,试将长笛的吹口一段单独吹奏,就能吹出一个“a1”音。

如果将开口处用手掌闭住,即得低八度的音。

原因是闭住了开口,便变成了闭管。

因此同样长度的单簧管和双簧管,单簧管的音高要比双簧管低一个八度。

这是因为单簧管是一种闭管,由于它的簧片是含在演奏者的嘴内,而且它的管身呈圆柱形。

如将单簧管的哨子不放在嘴内,单用手指在指键上用力敞打,发出一种轻微声音,它的音高与开管无异。

但如将黄片用大拇指按住,再敲打则变为闭管,音高低将近八度。

双簧管的哨子虽也含在演奏者的嘴内,但它的管形呈圆锥形,因之音波传播面不是平行而是圆球形,从而产生开管的效果。

严格地说,单黄管并非是真正的闭管,由于哨子振动时,并不跟乐器的嘴子完全闭合,由产生某些奇数的泛音,只是太微弱了,不发生作用而已。

长笛是属于开管,超吹是高
八度,它除管端的一端开口外,另一端虽是闭住,但它的吹口也是开着的,因而属于开管。

圆柱形与回锥形
竹乐器的管形有圆柱形和圆锥形之分。

两由于管形的不同,不仅发出的音高不同,且发出的音色也显然不同。

一般地说,圆柱形的管所发出的音,较为壮丽、燎亮,而圆锥形的管所发出的音,却较为柔和、圆润。

例如小号的管身,大部分呈圆柱形一约占2/3圆柱形,1/3圆锥形。

因之音色壮丽而燎亮。

短号的管身则圆锥形多于圆柱形一约占2/3圆锥形,1/3圆柱形。

因此音色较为柔和,但较圆号为亮,它的音色介乎圆号与小号之问。

圆号的管身则大部分呈圆锥形,因之音色柔和而圆润。

长号的管身与小号相仿,音色因之也较雄伟壮丽。

管长、粗细与音高关系及“管口校正”
管长与音高成反比。

管身越长,音高越低,反之则越高。

例如长笛比短笛长一倍,音高因而低一个八度。

降B调小号比长号短一半,音高因而高八度等等。

但管长必须包括“管口校正”部分在内。

这就是说,空气柱的振动,在作用上的长度,应包括管口外的一部分空气在内。

音响学上管叫它做“管口校正“（Endcorrection）。

一根圆柱形的管,它的“管口校正”长度约等于管的半径的十分之六。

比如说一根实际长度为35厘米的管,它的半径为2厘米。

它的作用长度为36.2厘米。

[35厘米+（2厘米的6/10即2*6/10=12/10=1.2厘米)1.2厘米=36.2厘米〕]
管的粗细与音高也成反比。

管身越粗音越低。

反之则越高。

这是由于管身越粗,它的“管口校正”越大,反之则越小。

因此同样长度的甲乙两管,倘甲管比乙管粗,则甲管的“管口校正”就较大,它的作用长度亦较长,音高自亦较低如图5。

按理,粗细相同的甲、乙两管,甲管长度比乙管长一倍。

其音高甲管
应比乙管低一个八度。

但正因“管口校正”的原因,其音高就低了不到一个八度,而是稍为高一些详图6。

低音号与和音大号或称尤风尼的音
高与长号相同,但上低音号与尤风尼号,由于管身较粗,它们的管长却比长号要短一些,道理就在于此。

德国物理学家亥尔姆霍尔兹（Helmhol-tz）在实验中证明,开管的直径小于2.54厘米,吹气时,靠近管壁的一层会受到“黏性阻力”的影响,使振动的速度减慢,从而音高降低。

特别是由软材料制成的管或管中有潮湿的情况,其黏性尤甚。

这是为什么人的共鸣腔的长度很短,却能发出很低的声音。

作者：朱起东
选自《China Academic Journal Electronic Publishing House》编辑整理：一石
版权归原作者所有。