乐器的发音原理
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乐器的发音原理
3.1 能量来源
演奏乐器靠的不光是良好的音乐素养、熟练的技术和灵敏的反应,还需要充沛的体力。就这个意义而言,乐器可以分为两种类型——肢体乐器和气息乐器。乐队的名称通常代表了这两大类乐器,例如“管弦乐队”和“吹打乐队”(我国民间乐队的形式),“管”和“吹”代表气息乐器,“弦”和“打”代表肢体乐器。
对于肢体乐器而言,臂力、腕力和手指力量是发音的基础,手的力量必须靠技能的训练来提高。气息乐器也一样,肺活量是基础,练习气息乐器除了提高音乐素养外,还起到锻炼身体的作用。
电声乐既不属于肢体乐器,也不属于气息乐器,它具有极其丰富的音色,遗憾的是它的音色不是由演奏者获得的,无法体现演奏者的水平
3.2 振源
振源的振动必须依靠外来的动力,这种动力有两大来源:
(1) 机械力:这是肢体乐器的能量来源,依靠机械力振动的振源有琴弦、鼓皮和音板,它们发出的频率完全由振源本身的材料性质和形状决定。机械力在振源上的作用可以是连续的,例如弓弦乐器是以弓对琴弦的摩擦力作为能量来源的;也可以是瞬时的,例如钢琴琴弦的动力只取决于琴锤敲击琴弦的瞬间。
(2) 气流:这是气息乐器的能量来源,依靠气流振动的振源有人的声带、哨片(有簧类木管乐器)、气簧(依靠孔穴周围的空气振动,无簧类木管乐器)、唇簧(嘴唇的振动,铜管乐器)和金属簧(口琴和手风琴),它们发出的频率一般不太固定。关于簧片的具体分类,将在管乐器的特性这一章中介绍。
振源本身都具有固定的发音频率,称为固有频率,但是这种频率会受到外界的影响,特别是动力和共鸣腔的影响,例如琴弦在遭受重击时,频率会略高于它的固
有频率,哨片的频率则完全可以受气流左右。频率的浮动程度从小到大依次为:琴弦、鼓皮、音板(木制和金属制的)、金属簧片、声带、哨片、气簧和唇簧。
琴弦是最典型的振源,它的材质对音色是有影响的。早期弦乐器的琴弦以羊肠线为主,羊肠弦发音清脆明亮,但融合性很差。十九世纪后,由于冶金工业的发展以及管弦
乐队的成型,琴弦逐渐用金属丝代替,因为金属丝比较便宜,而且发音厚实,融合性好。现代的琴弦通常有两种类型,最细的(最高音的琴弦,即小提琴的E 弦,中提琴和大提琴的G弦)用钢丝,三根较粗的用缠有钢丝的铜丝(称为缠线)。在钢琴和竖琴中,琴弦也用金属制成,高音弦用钢丝,低音弦用铜丝。当然,有些乐器也使用尼龙丝,例如古典吉他,以模仿羊肠线的音色。
哨片是另一种典型的振源,它的好坏直接影响了管乐器的音质。哨片一般用芦苇茎上的薄膜制成,除了材质以外,哨片的削剪也很重要,特别是用在双簧管上的哨片
3.3 共鸣腔
乐器的共鸣腔形状各异,但它们都有共同的性质:
(1) 它们必须由坚硬的弹性材料制成,这是为了让声波在共鸣腔内得到充分反射。例如弦乐器和木管乐器的共鸣腔用红木类的硬质木材(如紫檀木、花梨木等),差一点的可以用胶木(业余型的单簧管)或复合板(业余型的吉他),长笛用的是纯银、白铜或镍合金,萨克斯管和铜管乐器用的是黄铜。
(2) 它们必须具有一定的体积,体积越大则音量越大,例如小提琴和大提琴发出同样的音高,大提琴的音量一般比小提琴大。钢琴的共鸣腔也称为琴胆,立式钢琴的琴胆尺寸受钢琴高度和厚度的限制,而三角钢琴的琴胆则可以做得更大,这就是为什么三角钢琴音色比立式钢琴好的原因。
(3) 它们必须具有一定的长度。根据物理原理,某一频率的声音若要在共鸣腔里产生共振,它的波长不能超过共鸣腔长度的4倍。例如,小提琴琴箱的长度为0.34米,那么引起共振的声音波长不得超过1.36米,这一波长声音的频率为
250Hz (假设声速为每秒340米),这样G弦上b(246.9Hz)以下音的第一谐音几乎是听不到的(但是高频谐音可以听到),所以声音感觉很“空”,同样的音高在大提琴上感觉就很厚实。
现在再来看它们各自的形状。为什么有的乐器共鸣腔是圆的,有的是扁的,有的是长的,这和乐器的发音原理有关。前面(第一章)曾提到,共鸣腔有特定的共振频率,在这个共振频率上,声音将得到最大的共振效果,然而在别的频率上,特别是靠近共振频率的频率上,共振效果也是有的。形状很长的共鸣腔,共振频率非常明显,在频谱上呈现出很尖的共振峰,而圆的和扁的共鸣腔,共振频率不是很明显,共振峰很圆滑。下面将要介绍,为什么管乐器要使用长的共鸣腔,而弦乐器和定音鼓要使用扁的或圆的共鸣腔
.4 振源和共鸣腔的相互作用
振源和共鸣腔是乐器的主要部分,它们扮演的角色在各种乐器中是不一样的,弦
乐器(也包括弹拨乐器)和管乐器有着本质的区别:弦乐器的音高(发音频率)由振源决定,音质则取决于共鸣腔,管乐器正好相反(当然这不是非常绝对的)。
弦乐器的振源是频率固定的振源,它的固有频率只由琴弦的尺寸决定,而共鸣腔的共振峰范围很大,对振源可以发出的大多数频率,都可以产生良好的共振。由于琴弦本身宽度不大,所以它所引起的空气振动非常有限,然而振动可以通过琴马(也称桥)传导到共鸣腔,因此共鸣腔对音质起决定作用。
管乐器的振源是频率浮动的振源,位置和气息可以使振动频率随意变化,所以频率决定权只能转交给共鸣腔,共鸣腔的长度(即管乐器的管长)决定了管乐器的发
音频率。管乐器的振源就是簧片(详见第七章),它像人的声带一样具有一定的宽度,可以引起空气的振动,因此离开共鸣腔,簧片照样可以发出声音。因此,管乐器的音色主要取决于振源。当然,共鸣腔对振源声音的放大和修饰作用还是有的,特别是铜管乐器喇叭状的开口,这个开口可以让高频谐音得到放大,从而使音色发亮(单簧管末端也有这样的开口)。
3.5 乐器的制作
就制作工艺而言,每一种乐器都是非常复杂的。由于乐器的发音原理不同,所以衡量乐器质量的标准也不同。下面就对乐器的制作工艺作简单的介绍。
(1) 选材:根据乐器的要求选材,弦乐器的琴箱是主要部件,它们必须使用优质木材,辅料(例如钢琴的琴壳和琴键、提琴的琴颈和指板等)以及管乐器,则可以用稍差些的木材,有些甚至已经用金属或合成材料取代了。由于木制乐器采用红木类的名贵木材,所以价格非常昂贵,尽管没有非常复杂的机械装置和制作工艺。
(2) 木材的处理:木材通常可以用物理方法或化学方法进行处理,改善木材的硬度和韧性。木材通常要烘干,有时要作化学处理,例如放在盐水中浸泡。乐器制作完成后还要上漆,从而最大程度地保护木材。
(3) 加工和制造:对于木制的共鸣腔来说,必须手工制造,因为共鸣腔形状复杂,而木料又是有纹理的,所以不宜采用机械加工,手工加工的难度也相当大。对于金属或合成材料,机械加工则非常普遍,而且形状保持得很完整,长笛、萨克斯管、铜管等乐器的价格便宜比木制乐器便宜,这是另一方面的原因。
(4) 几何结构:对于共鸣腔来说,几何结构直接影响到共鸣效果,所以乐器的几何结构必须是精心设计的,例如小提琴的音柱和音孔(f孔)的位置,是非常讲究的。此外,其他部件如果尺寸不合理,则会影响演奏,例如琴颈和指板的尺寸和形状,为什么小提琴和大提琴的明显不同,诸如此类的问题很多。