三種鍵盤(pán)樂(lè)器的聲學(xué)構(gòu)造

編譯/程伊兵

（中國(guó)音樂(lè)學(xué)院，北京 100101）

1 背景知識(shí)

鍵盤(pán)樂(lè)器（帶鍵盤(pán)的弦鳴樂(lè)器）以一開(kāi)始沖擊琴弦使其自由振顫，最終抑制這些自由顫動(dòng)的、琴鍵操作的機(jī)械設(shè)備著稱。這些擊打和阻尼設(shè)備的形狀、尺寸、材質(zhì)和功能的差異，產(chǎn)生了音符開(kāi)始和結(jié)尾的大部分特質(zhì)變化。同時(shí)，這些差異也影響著琴弦自由振動(dòng)時(shí)的音色，因?yàn)樽畛醯臎_擊決定后繼波形的顫動(dòng)。其他聲學(xué)因素有琴弦的硬度、低音弦的包裹材料、弦支撐處音色的漸弱（the gradual damping of tone at the string supports）、每個(gè)琴鍵的弦數(shù)、琴弦支撐結(jié)構(gòu)的聲學(xué)屬性，以及某些情況中的被動(dòng)共振琴弦效果。

楔槌鋼琴（clavichord）、羽管鍵琴（harpsichord）和鋼琴（piano）大約都是橫置在一個(gè)平面上的，各自具備經(jīng)校準(zhǔn)的琴弦系統(tǒng)。每根琴弦都有張力地安置在琴弦支撐結(jié)構(gòu)上，在掛弦釘（hitch-pin）和位于弦軸板（pinblock）上調(diào)律時(shí)可以旋轉(zhuǎn)的調(diào)音釘（tuning-pin）之間。通常在這兩組弦釘之間靠近它們的地方，琴弦別靠在一個(gè)滑動(dòng)接觸點(diǎn)上。這兩個(gè)中間點(diǎn)之間的距離決定了經(jīng)調(diào)校的琴弦的顫動(dòng)區(qū)間。如果琴弦具有完美柔韌性的話，各琴弦都可以按泛音列之頻率自由顫動(dòng)。因?yàn)榻饘傧揖哂幸恍┯捕龋ㄎ⑺茥l棒），弦振動(dòng)的自然泛音列略呈不諧和，但是可以被聽(tīng)到。迄今為止的研究表明，非諧和度是音色的重要特質(zhì)。非諧和性也導(dǎo)致最適宜的樂(lè)器調(diào)律比例比2:1八度關(guān)系伸展少許（即低音低、高音高）。

在鍵盤(pán)樂(lè)器中，演奏琴鍵的動(dòng)作導(dǎo)致了能動(dòng)的弦激勵(lì)。有些沖擊聲立即發(fā)聲于沖擊點(diǎn)上，更多則需通過(guò)弦振動(dòng)來(lái)發(fā)聲。這是一個(gè)“起因（cause）”的聲音。三種主要鍵盤(pán)樂(lè)器的沖擊和結(jié)果弦激勵(lì)的特征都不同，但在每個(gè)情況中，至少是經(jīng)校準(zhǔn)琴弦的某一部分的形狀突然改變了。在激勵(lì)事件之后，琴弦在兩接觸點(diǎn)之間上下移動(dòng)，其形狀的變化是脈沖波形。這是“結(jié)果（effect）”聲音。

脈沖波形的一部分在琴弦接觸點(diǎn)被來(lái)回地反射，致使琴弦顫動(dòng)以及結(jié)果音高的延留，但是每次反射中所貯存波形能量中的一部分被轉(zhuǎn)移最終導(dǎo)致音符靜止。這個(gè)在波形每次往返的末端被轉(zhuǎn)移的顫動(dòng)能量，振動(dòng)著支撐機(jī)構(gòu)，特別是通過(guò)音板（soundboard）大部分聲音能量進(jìn)入到空氣中。其中，僅有很小一部分直抵空氣的聲學(xué)能量來(lái)自琴弦的運(yùn)動(dòng)。琴弦一般同時(shí)以很多頻率在顫動(dòng)。因?yàn)檫@些頻率幾乎落在泛音列中，所以聽(tīng)者聽(tīng)到的是以該系列中最低頻率為音高的一個(gè)音符。復(fù)雜音色聲音中產(chǎn)生的各頻率間的相對(duì)關(guān)系在很大程度上決定音符在其“結(jié)果”階段的音色。這取決于沖擊琴弦時(shí)的脈沖形狀、支撐結(jié)構(gòu)的接觸點(diǎn)對(duì)弦振動(dòng)各頻率的響應(yīng)以及構(gòu)造將振動(dòng)轉(zhuǎn)換為聲音中各頻率的轉(zhuǎn)換效率。

2 楔槌鋼琴

楔槌鋼琴是典型的矩形琴箱，鍵盤(pán)占長(zhǎng)的一邊的2/3。琴弦以水平方向繃在琴板左邊的掛弦釘與右邊的調(diào)音釘之間。右端有一個(gè)支撐弦馬（有時(shí)分段）的小水平音板，為每根琴弦提供一個(gè)下定位（downbearing）接觸點(diǎn)。長(zhǎng)低音弦靠近鍵盤(pán)，短高音弦在尾端附近。每個(gè)演奏琴鍵被放在平衡樞軸（balance-rail）上，受位于垂直槽中的后舌簧（rear tongue）的控制。

楔槌鋼琴動(dòng)作的獨(dú)特機(jī)械功能是正切（tangent），一個(gè)與鍵尾擴(kuò)展區(qū)有關(guān)的楔形鐵片或銅片。當(dāng)琴鍵被按下時(shí)，楔槌升起并直接撞擊琴弦，直到琴鍵被釋放，楔槌一直保持與琴弦的接觸。楔槌由此發(fā)揮兩方面功能：在不需要任何中介裝置作用的幫助下，其撞擊制造出琴弦的激勵(lì)；同時(shí)，為其所關(guān)聯(lián)的琴弦提供了第二個(gè)下定位點(diǎn)，由此定義了振動(dòng)琴弦區(qū)間的長(zhǎng)度，控制其音高頻率。換言之，被調(diào)諧區(qū)間的擊點(diǎn)（striking point）與界點(diǎn)（termination point）是相同的。

在很多楔槌鋼琴中，通過(guò)將楔槌布置在琴弦的不同位置，琴弦被很少組合在一起使用的多個(gè)音符公用（如C和C#）。這樣的樂(lè)器被認(rèn)為是有品的（fretted）楔槌鋼琴。其他的則為了更大的音樂(lè)多面性而采用單獨(dú)琴弦。

鍵載（key-borne）楔槌與被撞擊琴弦的持續(xù)接觸帶給楔槌鋼琴一種其他鍵盤(pán)樂(lè)器無(wú)法獲得的音樂(lè)效果“揉音（Bebung）”。當(dāng)演奏者周期性地改變琴鍵壓力時(shí)（下鍵敲擊后），使琴弦張力波動(dòng)，產(chǎn)生音高顫動(dòng)。

在楔槌擊點(diǎn)與掛弦釘之間有布條交織在琴弦之中。它們迅速止住未適當(dāng)校準(zhǔn)的、到擊點(diǎn)左邊的這段琴弦的顫動(dòng)。當(dāng)楔槌與琴弦的接觸被斷開(kāi)，它們也止住整個(gè)琴弦的顫動(dòng)，不再需要單獨(dú)的止音動(dòng)作。

楔槌鋼琴存在一些固有的聲學(xué)優(yōu)勢(shì)與缺陷。金屬鋒在弦端的撞擊激發(fā)出全頻域的頻率。脈沖波形在更猛烈的打擊下加強(qiáng)，帶來(lái)良好的動(dòng)態(tài)范圍。然而，楔槌力度與音板都很小，因此，楔槌鋼琴的輸出音量受限制。從琴鍵到演奏者手指到琴弦的直接聯(lián)系容許“揉音”顫動(dòng)，但其同時(shí)也產(chǎn)生使音符時(shí)值變短的機(jī)械衰減。

表1 三種主要鍵盤(pán)樂(lè)器的構(gòu)造和機(jī)械差異

3 羽管鍵琴

羽管鍵琴家族有三種琴弦排列方式：通常為水平張伸；在小矩形維吉那琴（virginals）中，琴弦與楔槌鋼琴一樣十字互交；在小型翼狀（wing-shaped）斯皮耐琴（spinet）中，琴弦從正好在鍵盤(pán)后的調(diào)音釘非垂直的延伸到掛弦釘，成一排彎曲至鍵盤(pán)右側(cè)。這種形狀上的差異以及附加的長(zhǎng)低音弦使得羽管鍵琴成為體積更大的樂(lè)器。更大的音板可以產(chǎn)生更多的聲音效果以及更全的音色。

三種排列方式的琴弦，都是被所銜接的羽莖或撥片向上的撥奏激活的，之后釋放琴弦。撥片發(fā)射自被裝在樞軸上的演奏琴鍵所支撐的，導(dǎo)向滑動(dòng)的窄垂直傳動(dòng)銷（vertical jack）的中央舌簧（central tongue）部分。

在大型羽管鍵琴中有兩套或更多套琴弦以及兩副及更多副鍵盤(pán)。因此，同一鍵負(fù)載的不同撥片可以同時(shí)撥奏在不同套中的八度相關(guān)的不同琴弦。同一琴弦也可以被不同鍵盤(pán)的撥片沿其長(zhǎng)度在不同位置上撥奏。撥片與琴弦端點(diǎn)的距離越短，音符的更高、更亮的分音就越強(qiáng)；距離得越遠(yuǎn)，則低音分音更強(qiáng)。撥片可以是羽莖、皮革、木頭、金屬或塑料。材質(zhì)更堅(jiān)硬、邊緣更銳利，帶來(lái)的音色就更明亮。

羽管鍵琴與其他鍵盤(pán)樂(lè)器最重要的聲音區(qū)別是音符的開(kāi)始撥奏。小的鋒利的撥片邊緣，隨著撥片經(jīng)過(guò)琴弦的突然釋放，制造出具有豐富高音分量的琴弦波形，賦予羽管鍵琴明亮的音色特點(diǎn)。與楔槌鋼琴對(duì)照，琴弦激勵(lì)者立即離開(kāi)了琴弦，不能吸收琴弦的振動(dòng)以縮短音符時(shí)值。演奏琴鍵釋放時(shí)，撥片的回位往往會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱的二次弦激勵(lì)。該沖擊被回位插簧（returning jack tongue）的繞軸旋轉(zhuǎn)最小化了。雖然結(jié)果聲音是羽管鍵琴音色的特質(zhì)，但其發(fā)生得很及時(shí)，在銷載止音器（jack-borne damper）抵達(dá)琴弦的時(shí)候，聽(tīng)起來(lái)就像是止音動(dòng)作的一部分。

4 鋼琴

第一臺(tái)克里斯多佛利（Cristofori）鋼琴是用帶有擺輪（escapement）的上擊錘（upstriking hammer）動(dòng)作代替了撥弦動(dòng)作的羽管鍵琴。這釋放了皮革包裹的榔頭，相對(duì)于楔槌鋼琴的正切動(dòng)作（tangent action），在壓緊琴弦之前，容許它敲擊琴弦并很快恢復(fù)。擊錘動(dòng)作賦予鋼琴全部可控的強(qiáng)弱漸變級(jí)別，開(kāi)創(chuàng)出以往僅有聲音太弱不能與其他樂(lè)器一起演奏的楔槌鋼琴才能做到的，鍵盤(pán)力度表現(xiàn)的音樂(lè)會(huì)形式?？死锼苟喾鹄侨卿撉俚那吧?。鋼琴榔頭比既往的楔槌和撥片更大、更圓，給予琴弦的脈沖形狀更大、更圓。這帶給低頻分量更多的能量，而高頻能量則更少，使得鋼琴比羽管鍵琴音色更豐滿。對(duì)需要明亮的高音而言，榔頭更小、更銳利。

之后，通過(guò)簡(jiǎn)單地將上擊錘動(dòng)作與源自楔槌鋼琴的弦振動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種小型鋼琴。但是因?yàn)檫@種鋼琴太小，其聲音很微弱。此外，還為這種流行的矩形或“方”鋼琴樂(lè)器發(fā)明了許多不同的機(jī)械動(dòng)作裝置。

榔頭代替了撥片使得每個(gè)音符容許多個(gè)共面同度琴弦，這在羽管鍵琴中是不可能實(shí)現(xiàn)的。這種提升了的聲音響度導(dǎo)致的其他優(yōu)勢(shì)將在下面討論。為立式鋼琴的琴弦系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出了前擊錘（forward-striking hammer）動(dòng)作，比水平鋼琴需求更少的空間。鑄鐵板支撐弦力，高張力限的鋼琴絲容許直徑更粗張力更大的琴弦，提高了聲音能量和亮度。壓縮氈代替了皮革榔頭覆蓋物，柔化了音色并且提高了榔頭的控制力和耐久力。將低音弦與高音弦交叉減小了鋼琴尺寸，更多斜交叉的琴弦和間擊動(dòng)作（drop action）導(dǎo)致更小的立式鋼琴。

一音多弦對(duì)鋼琴獨(dú)特的音色具有重大意義，因?yàn)榍傧倚?zhǔn)中的細(xì)微差異給每個(gè)音色增加了合唱效果。研究表明，相對(duì)數(shù)學(xué)上完全校準(zhǔn)而言，聽(tīng)覺(jué)更喜歡輕微去諧（小于0.1%）的同度琴弦；有經(jīng)驗(yàn)的鋼琴調(diào)音師專門(mén)保留這一校音幅差。在榔頭敲擊琴弦后的那一刻，多根琴弦近似同步地顫動(dòng)。這時(shí)，傳送到弦馬和音板的聲音能量比例最大，導(dǎo)致音色的起始衰減速度很快。隨后，琴弦因其頻率的細(xì)微差異漸漸變成非同步，音符衰減的速度更慢一些。這種良好調(diào)律的鋼琴中的雙衰減特性，使后繼音符在當(dāng)前演奏的保持音符上突顯出來(lái)，并且影響了鋼琴作曲的發(fā)展。當(dāng)延音踏板升起止音器時(shí)，被敲擊琴弦的顫動(dòng)通過(guò)鋼琴弦馬傳給其他琴弦共振，產(chǎn)生更強(qiáng)的合唱效果。在三角鋼琴中，弱音踏板將動(dòng)作橫移，減少榔頭敲擊琴弦的數(shù)量。

除了最高音，每個(gè)鋼琴音符包含很多分音，主要集中于100 Hz ～ 1 000 Hz之間。遍布整個(gè)音高范圍的榔頭擊弦聲是鋼琴音色的重要特征，但僅在最高音區(qū)被注意到，那里分音過(guò)于稀疏，掩蓋不了它。

鋼琴調(diào)音師們調(diào)校八度所采用的標(biāo)準(zhǔn)程序制造出一個(gè)延展音階。高音更高，低音更低，兩端比嚴(yán)格的十二平均律多三分之一個(gè)半音，結(jié)果是琴弦音色分音的輕微不諧和。研究表明鋼琴家及聽(tīng)眾喜歡這種音階延展的方式，而且以嚴(yán)格泛音列分音合成真鋼琴音色的嘗試不得不受成效的限制。

科學(xué)、工程學(xué)與藝術(shù)在鋼琴構(gòu)成的演變中組合起來(lái)，被認(rèn)為是與音色相關(guān)的主要構(gòu)件配制方案的“品級(jí)設(shè)計(jì)（scale design）”。這些包括琴弦、榔頭、止音器、弦馬、音板、鋼板以及一些外延，外殼連同它們材質(zhì)的屬性。

注：本文根據(jù)《格羅夫音樂(lè)辭典》中聲學(xué)詞條部分的內(nèi)容編譯而成。

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