乐器声学原理探析

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1、乐器声学原理探析●最早的“音响”●“狼音”&“松香味”●串联共鸣（埙）●锥形钟乐器产生与发展于人类劳动创造的过程中，是人类精神文化生活需求的产物——是最早的“音响”。今天，我们通过现代音响设备所聆听的，很大一部份内容仍然与各种乐器有关——尤其是古典音乐。音响与乐器——无论是在科学上，还是在艺术上——都是相通的。探索乐器的发声原理——对于音响的研究与发展有着重要的借鉴意义，同时也有助于我们更好地领悟与欣赏音乐。□乐器声学原理探析之弦乐器篇●弦/膜/板振动的驻波——实质上都是“并联共振”。弦乐器共鸣箱可产生“波导”驻波（λ/2共振，λ/4共振），也可形成“亥

2、姆霍茨共鸣器”（有音孔）——前者为“分布参数系统振动/并联共鸣”（同管乐器），后者为“集中参数系统振动/串联共鸣”。实际上，二胡并非“活塞式振动”——二胡为膜振动，产生横波。虽然振幅比板振动（如板胡）大，接近“活塞式振动”（尤其低频时），但同板振动一样都属于“分布参数系统”振动，产生“并联共振”，即驻波——而“活塞式振动”（如弹簧振子）则是“集中参数系统”振动，产生“串联共振”。●弦乐器共鸣腔驻波并非整体性的空气柱“λ/4共振”——两侧封闭端至中间音孔分别形成“λ/4共振”，但可形成整体性的“λ/2共振”（音孔处为波腹）——而整个共鸣腔与音孔又可形成“亥

3、姆霍茨共鸣器”。音孔如小提琴共鸣腔驻波共振f0并非为250Hz（L=340mm，λ/4共振）——从频谱图可以看出，其共振峰从400-500Hz开始——294Hz则是“亥姆霍茨共鸣器”共鸣频率。小提琴两个f孔处宽度方向可形成“λ/2共振”（开管）——厚度方向则可形成“λ/4共振”。●弦振动为“偶极子”型——横波形成偶极子相邻的“端射阵”；各波峰/波谷前后方向又形成偶极子，最大辐射方向与前者相反——故弦的辐射声功率Ｗｒ↓，一般作为“传导器”耦合板/膜振动，以↑Ｗｒ。弦振动只有形成驻波时才能↑Ｗｒ——横向为“同相小球源”，Ｗｒ↑/指向性↑；纵向可形成“线列阵”

4、，但指向性↓。所谓“松香味”——实际上就是松香足→摩擦系数↑，可以产生丰富的谐波——低次谐波可↑质感；高次谐波（泛音）能够使声音细腻，清晰度↑；偶次谐波可以使声音更动听。●驻波与声辐射——弦/膜/板共振形成驻波时——为“对称性振动/同相辐射”。横波（2）同时向外压缩空气——声压P/振速V达到最大值时，振幅A为最小值（此时辐射阻Rr最大）；声压P/振速V为最小值时，振幅A达到最大值——然后上下交替，周而复始。弦/膜/板驻波“对称性振动”实际上似乎不可能——介质“分身乏术”；若“分身有术”，则振幅不会很大——尤其介质材料的弹性模量比较大时。“分身有术”——弦

5、/膜/板振动横波的驻波，类似于板中纵波（S型兰姆波），都是介质上下表面质点作“椭圆偏振”——但前者为横波，振动方向与声辐射方向相同，波速u=0（驻波），振速v↑，故其能流密度I↑，辐射声功率Ｗｒ↑；而后者为纵波，振动方向与波传播方向（纵向）相同，而与声辐射方向（横向）垂直，波速u↑，但能流密度主要为纵向，“椭圆偏振”为泊松效应引起的横向振动，故模态密度↓，Ｗｒ↓，一般不会产生声辐射。一般资料上所述“弦驻波”，都是单一横波交替上下振动，但这又不符合“驻波”定义——故有待进一步探讨。●薄板弯曲波模态密度大的条件——密度小/刚度大。桐木板完全满足上述条件——故

6、中国传统弦乐器大多以其为音板，如古琴/筝/阮/琵琶等。桐木质轻软/不变形，具有优秀的声学品质；透声性好，毛孔大——被称为“会呼吸的木材”。桐木的声导纳↑（透射系数↑），即使共鸣腔为封闭结构，内部共鸣声波也能够传播出来——封闭结构共鸣腔主要为“λ/2共振”（两端波节），厚度方向则可形成“λ/4共振”——桐木音板处为波腹。●一直以为古筝/琵琶的共鸣腔为封闭结构——其实古筝的音孔（3）在底板上，而琵琶的音孔（1）在“覆手”下面——都是“藏而不露”。琵琶音孔面积小，共鸣腔内部声音反射↑，混响过度——故音色“粗犷”。古筝音孔面积大小恰当，混响适度——故其音质清澈，

7、又具有一定“弹性”（余音缭绕）。●电声弦乐器（如电吉他/电小提琴/电古琴）——拾音器直接将琴弦的机械振动转换为电信号，通过放大器/音箱发声——无需共鸣箱，音色更丰富（可通过“调节器”调节）。拾音器（Pickup）——是一个电磁感应的信号转换装置，与麦克风（MIC）不同——与声波的空气振动无关。“真正意义上的弦鸣乐器”——电声弦乐器主要为“弦振动”，与传统弦乐器不同（“弦振动”耦合“板振动”/“膜振动”）——虽然不同材料的琴体“板振动”也会对音色产生影响。“弦振动”主要产生“奇次/偶次谐波”（谐波频率与基频成整数倍关系）——而“板振动”/“膜振动”/主要产

8、生“间谐波”（谐波频率与基频不成整数倍关系）。偶次谐波可以构成“谐和音程”——而