乐器中的物理学[材料]_说明乐器中的物理学

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乐器中的物理学

张无忌

摘要：本文主要介绍了令人“耳”花缭乱的各式各样乐器的简单分类以及各类乐器具体的发声机制，还列举了“钢琴“、“笛子”的一些简单原理，使得“音频”、“音色”、“响度”、“声阻抗“、”弹性模量“等抽象的物理词汇有了更进一步的与我们面对面。

正文：

爱因斯坦在不断探寻真理的过程中始终与小提琴相伴，钱学森更是把自己在导弹领域做出的突出贡献归功于妻子优美的琴声，可见乐器早已和物理结下了不解之缘。

在姿彩万千的艺术天地中，音乐是一条永无止息的河，它源自人类的心灵，经由生活的沉淀，幻化精美的华章。声音是音乐的直接化身，在我们周围的生活中，既有震耳欲聋的雷鸣，也有小溪流动的熙熙哗哗，既有萧的怅然忧伤，也有唢呐的高亢喜悦，不同感觉的声音源自纷繁多样的乐器，这么多的乐器又可以分为哪些种类呢？大致可分为一下四种：

一、弦乐器。它们通过拉、弹、拨，击的方法使弦振动而发声，再借助共鸣箱使弦的声音在共鸣箱中共呜而被放大。常见的弦乐器有小提琴、大提琴、吉他，二胡、琵琶等。

二、管乐器。它们是一些一端封闭另一端开口的管子，人用嘴吹动簧片或哨子之类的振动器件，激发管内的空气柱振动而发声。西洋乐器中的单簧管、双簧管、等，以及民族乐器中的笛、签、萧、唢呐等都属于这一类。

三、打击乐器。它们是指用器物（棒、槌等）打击膜、板、棒等东西，使之振动而发音的乐器的总称。这类乐器包括：西洋乐器中的定音敲、木琴、三角音叉等，还包括民族乐器中的锣等。

四、电子乐器。现代电子乐器可以分成两类。一类如电吉他、电提琴等，指在原来乐器（吉他、提琴等）的基础上，增添电子扩音系统和音色变化装置，大大改善原有乐器的表现能力。另一类，电子琴等，完全由电子振荡器来完成音阶的组成。在传统乐器中，钢琴弹不出小提琴的音色，笛子也吹不出二胡的声响。而电子琴依靠音色合成网络，能演奏出几十种不同音色的乐器声。此外，它还装有各种自动装置，可以自动产生节奏、和弦等音响效果，大大简化了演奏，甚至一台电子琴能奏出一个乐队的效果来。

乐器就是发出音乐声的机器。因此，任何一种乐器实际上也就是一种声学仪器。下面让我们进一步对乐器的结构进行具体的剖析。

首先，一个乐器必然有声源，即振动源。弦乐器的振动源是振动的弦线。管乐器的振动源可以是振动的簧片，如单簧管，可以是嘴唇的振动，如铜管乐器，也可以是边棱形成的气流振动，如笛子。簧振乐器的振源是簧片的振动，鼓的振源是一个圆膜，钟的振源是整个钟体，电子乐器的振源可以是石英振荡器或是振荡电路。振源是任何乐器必不可少的。

乐器都有发声体。有的乐器的振源就是发声体，如鼓皮、钟体、口琴或手风琴的簧片等。管乐器是靠管来决定音调的。空气在管内形成驻波，通过管口把声音传播出去而发声。有的簧管乐器是由簧和管共同决定音调、在管口处发声的。

不少乐器的发声体还包括了共鸣体，如提琴的弦线振动发出一定音调的音，但声音很小，几乎听不出来.通过琴马、音柱把振动传到琴箱的上下音板，使弦线与琴箱产生共鸣，才能发出我们现在所听到的提琴的声音。

有些乐器还有附件，如大提琴的支杆是一种支持体，还如柳琴的拨子、风琴的风箱、提琴的指板、琴马等。这也同仪器一样，要有个支腿、配件等。

乐器作为一种声学仪器，除了本身结构以外，其发声原理、声驻波的形成、声频的合成、声波的传播、电子乐器的调制和控制、数字音源的制作、线路或结构设计等都是物理内容。

乐器的分类要以其发声的物理机制为依据。制作乐器材料的性能，如湿度、硬度、弹性模量、密度、声波在材料中的传播速度、材料的阻尼性质、声阻抗等，都是物理属性。材料的处理，如人工老化、加湿、烘烤、上保护层等，都是物理方法，用的是物理测量仪器。许多研究乐器的方法如频谱分析、波形观察、激光全息、声电模拟等等都是物理方法。乐器的保存和维护如保持一定温度、湿度等，都是物理环境。

因此，物理学是乐器学的基础。当然，还要加上人的演奏以及音乐学、美学、心理学以及工艺等，才是乐器学的全部。

接下来，让我们一起认识几种有特色的乐器： 0、烂漫的吉他。

声学吉他的祖先，可以追溯到公元两三千年前古埃及的弹拨乐器耐法尔，及古巴比伦和古波斯的古弹拨乐器。8字型内弯的琴体决定了吉他类乐器特有的共鸣特点（电吉他所没有）和外形特点，这也是吉它属乐器和其它弹拨乐器的最大区别。

按照发源地的不同，吉他又可以分为

1、西班牙式吉他；

2、美国式吉他；

3、爵士吉他。

一、乐器之王——钢琴。

广泛流行于世界各国的键盘弦乐器——钢琴，是乐器世界中历史最悠久者之一。主要是它独具的非凡的表现力，从千军万马、惊涛骇浪到潺潺流水、细语低声，无一不可以表达，而且随心所欲、千变万化。下面我们将从其物理基础上来略略予以说明。首先，钢琴的音域广。它的发声频率范围可以从27.5赫兹以下到4186赫兹以上。

第二是它可以奏出和声。钢琴可以同时或很快按下许多个键，发出各种和弦声，利用脚踏板还可以大大扩展和声效果。

第三是音色丰富。由于钢琴的特殊结构，即所有的琴弦都紧固在一块钢板上，因此，即使弹奏一根弦，其它的弦也能“感应”而发出谐波，因此谐波特别丰富。还有一个重要的特点是，钢琴可以通过演奏时变换击键和使用踏脚板的方式，随心所欲地控制力度和音色，使强弱适度，并有千变万化的表现力。

二．竖笛

笛子可以说是乐器中发音最为清脆明亮的。

笛子的发音原理是边棱效应，是气流柱被吹孔切开而产生音响。好比说大风吹着紧闭的门窗会产生咻～咻～咻～像鬼叫的声音一样道理，因此，只要细小的空气柱被切开，笛子就会发出声音。

吹笛子的时候，用手按住或放开一些侧孔，就是改变管长，也就是改变音调。其实，笛子的音调随温度的变化很大。如果温度改变10℃，音调可以改变约1/3个“半音”。这种变化能被人耳清晰的捕捉，影响很大。而笛子的好坏与制作其的材料直接相关。物理是一门探寻真理的学科，从哥白尼到伽利略，再从牛顿到爱因斯坦，一代又一代的大家们把我们带入奇妙的物理世界中；音乐是一种艺术，音乐是大自然的心跳，创造音乐的过程也是对生活，对自然真理的一种追寻。19世纪法国文学家福楼拜所说：“艺术越来越科学化，科学越来越艺术化，两者在山麓分手，有朝一日，将在山顶重逢”。音乐这门艺术与物理这门自然科学正契合的越来越紧密。也正是有了这些丰富的物理原理，世界上才有如此多各具特色的乐器，我们才能听到各种美丽的声音。

参考文献：

1、龚镇雄，董馨著《音乐中的物理》，1994-8-1；

2、（法）纳塔利•德高尔德著；孟筱敏译《西方的乐器》，1999.53、赵沨主编《中国乐器》1991.14、刘丽芳、王琴纳主编《中国世界音乐文化》2008.5

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