第1部分 乐器声学原理探析.pdfVIP

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 姆霍茨共鸣器”。 音 孔 如小提琴共鸣腔驻波共振 f 并非为 250Hz（L=340mm，λ/4 共振）——从频谱图可以看出，其共 0 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”，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/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