鋼琴弦軸板的歷史演變與材性分析

趙羚君

（沈陽(yáng)音樂學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 鋼琴弦軸板的歷史演變

1.1 古鋼琴之前的弦軸板

鋼琴，被世人尊崇為“樂器之王”，其起源可以追溯至古希臘時(shí)期的獨(dú)弦琴，又稱弦音計(jì)（monochord）。據(jù)資料記載，公元前6世紀(jì)，獨(dú)弦琴由畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras）創(chuàng)制，用于當(dāng)時(shí)的音律審度和樂理研究。樂器的形制是將一根單弦張于長(zhǎng)方形的共鳴箱上，琴弦兩端緊附于固定物上，并通過中間若干可移動(dòng)的楔形弦碼，改變琴弦的有效長(zhǎng)度，最終發(fā)出所需的音律音高。所以，固定獨(dú)弦的固定物就是琴栓（Tuning peg），即弦軸的雛形。

在14～15世紀(jì)，波斯地區(qū)從流行的獨(dú)弦琴發(fā)展出多弦樂器的兩大支系，即彈撥弦樂器索爾特里琴（Psaltery）和打擊弦樂器杜西瑪琴（Dulcimer），二者直接影響了古鋼琴的誕生和制作。二者音準(zhǔn)的保持和調(diào)節(jié)都需要琴栓作為調(diào)節(jié)琴弦張力的部件。在14世紀(jì)中葉，歐洲已經(jīng)具備金屬鍛造技術(shù)，促使后期音栓材質(zhì)由木制改為金屬制弦軸，成為弦軸發(fā)展史上的一大進(jìn)步。因此，隨著多弦樂器張力的增大和金屬制弦軸的發(fā)展，弦軸板的材質(zhì)從此也正式確立為硬木（Hard wood）。

1.2 古鋼琴的弦軸板

在15世紀(jì)左右，打擊弦樂器杜西瑪琴在歐洲產(chǎn)生，16世紀(jì)流行于世，其發(fā)展成為擊弦古鋼琴——楔槌鍵琴（Clavichord），其樂器形制繼承的是弦音計(jì)，樂器的弦軸板被表面一層薄板裝飾覆蓋于下方（見圖1），形成了古鋼琴獨(dú)有的“整塊實(shí)木弦軸板”的結(jié)構(gòu)，金屬弦軸即被植入實(shí)木弦軸板上。

14世紀(jì)左右，彈撥弦樂器索爾特里琴在英國(guó)發(fā)展成為撥弦古鋼琴——羽管鍵琴（Harpsichord），17世紀(jì)后期，它相較楔槌鍵琴更加流行于歐洲（德國(guó)除外）。羽管鍵琴同楔槌鍵琴的弦軸板類同，上面都有一層薄板覆蓋住下面的硬木實(shí)木板，金屬弦軸即被植入這塊實(shí)木板塊上。據(jù)資料記載，在樂器撥桿裝置上（Rank）上發(fā)現(xiàn)歷史上著名鋼琴制造家的名字，即迪爾肯（Dulcken）、舒迪（Shudi 德/英）和柯克曼（Kirckman 德/英）。但是，他們制造的羽管鍵琴都會(huì)產(chǎn)生一種類似鼻音的音色，究其原因，是樂器制作家為了完成在弦軸板上特別雕刻的設(shè)計(jì)，需要被記錄和插入到撥桿（Jack）上（圖2）。另外，在弦軸板上雕刻的設(shè)計(jì)內(nèi)容會(huì)削弱外殼的結(jié)構(gòu)作用，因此，額外附加的撥桿裝置并不能承受琴弦的拉力。所以，歷史上的失敗設(shè)計(jì)案例告訴后人，若想最大限度發(fā)揮弦軸板的本體作用——穩(wěn)固弦軸和承受琴弦張力，應(yīng)盡量避免在弦軸板上設(shè)計(jì)這些“多余的雕刻”。

圖1 楔槌鍵琴整木塊實(shí)木弦軸板

圖2 羽管鍵琴為了雕刻而設(shè)計(jì)的附加撥桿裝置

古鋼琴的變化體——維吉納（Virginal）、斯皮耐（Spinetta）以及立地型大鍵琴（Clavicytherium）等樂器的弦軸板基本與楔槌鍵琴和羽管鍵琴類同，直至近代第一架鋼琴誕生后，弦軸板的結(jié)構(gòu)發(fā)生了細(xì)微的變化。

1.3 近代鋼琴的弦軸板

1709年，巴托洛米奧?克里斯托弗里（Bartolomeo Cristofori，1655～1732）創(chuàng)造首架鋼琴，即可以奏出強(qiáng)音和弱音的鍵盤樂器（Gravicembalo col piano e fort），近代鋼琴拉開歷史帷幕。據(jù)資料記載，克里斯托弗里將樂器的弦軸板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成“倒轉(zhuǎn)弦軸板”（Inverted wrest plank）樣式，從其現(xiàn)存的三臺(tái)鋼琴中的兩臺(tái)可以觀測(cè)出：克里斯托弗里將弦軸按照一種不尋常的方式排列，即所有弦軸自始至終都是通過插入弦軸板而獲取支撐。所以，調(diào)音扳手都是套在弦軸上，即弦軸板的頂面上，而琴弦則被圍繞在底邊的弦軸上。如此構(gòu)造雖然給修復(fù)折損琴弦?guī)砝щy，但其優(yōu)點(diǎn)在于前橋，即音板上的橫木條也被倒轉(zhuǎn)，弦槌在下面對(duì)琴弦實(shí)施擊弦動(dòng)作時(shí)，琴弦的振動(dòng)區(qū)域?qū)?huì)牢固且準(zhǔn)確到位，而不是取代或是替換。倒轉(zhuǎn)的弦軸板會(huì)在樂器上使琴弦的位置更低，允許有更加小巧輕便的弦槌。因此，會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生更加輕柔和敏捷的觸感。

這種倒轉(zhuǎn)弦軸板在克里斯托弗里逝世后的150年后才被發(fā)現(xiàn)，而現(xiàn)代鋼琴中幾乎也運(yùn)用了同樣的原理，即弦槌靠近琴弦的發(fā)音長(zhǎng)度的接觸點(diǎn)不是壓弦鈕（Agraffe）就是壓弦條（capo d'astro bar）。這些裝置對(duì)琴弦拉力的方向與弦槌擊弦的方向相反，就像克里斯托弗里對(duì)于弦軸板的原始設(shè)置一樣。

所以，鋼琴結(jié)構(gòu)的發(fā)展并不是獨(dú)立演進(jìn)的，而是彼此關(guān)聯(lián)又相互影響。繼克里斯托弗里之后，戈特弗里德?西爾伯曼（Gottfried Silbermann）、約翰?安德烈亞斯?施泰因（Johann Andreas Stein）、約翰?克里斯托弗?楚姆佩（Johann Christoph Zumpe）、約翰?布勞德伍德（Johann Broadwood）、塞巴斯蒂安?埃拉爾（Sebastian Erard）等鋼琴制造師們經(jīng)過不斷的努力與研究，從制音音栓到延音踏板的發(fā)明，從維也納式擊弦機(jī)到英國(guó)式擊弦機(jī)直至“復(fù)震奏式杠桿”的擊弦機(jī)裝置的改進(jìn)，進(jìn)而到大音量音板和大張力琴弦以及金屬支架代替木制支架的發(fā)明，諸多創(chuàng)新樂器工藝都使鋼琴的結(jié)構(gòu)得到了整體提升。因此，此后鋼琴結(jié)構(gòu)的發(fā)展迎來了革命性的進(jìn)步。

1.4 現(xiàn)代鋼琴的弦軸板

大約在19世紀(jì)50年代，現(xiàn)代鋼琴以施坦威家族（The Steinways）制作的鋼琴為分界點(diǎn)。施坦威鋼琴公司采用改進(jìn)的膠拼分層弦軸板結(jié)構(gòu)，即由2層膠拼的實(shí)木板結(jié)構(gòu)發(fā)展到后來的4層膠拼實(shí)木板結(jié)構(gòu)，并同鑄鐵支架上的筋桿一起配合和承載琴弦的絕大部分張力。這種多層弦軸板的發(fā)展趨勢(shì)不僅解決了實(shí)木弦軸板開裂翹曲的問題，而且板孔內(nèi)軸向纖維的支撐也增大了弦軸板的握釘力。

20世紀(jì)上半葉，合成樹脂膠和木材加工的漸進(jìn)發(fā)展促使現(xiàn)代鋼琴弦軸板結(jié)構(gòu)的改革。到了20世紀(jì)中期，弦軸板層狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念得到了更深一步的拓展，即采用多層層壓結(jié)構(gòu)的膠合板結(jié)構(gòu)來制作弦軸板。1963年，施坦威公司申請(qǐng)了Hexagrip?的弦軸板設(shè)計(jì)專利（#US3091149），即6層抓柄弦軸板——分別應(yīng)用于立式鋼琴（圖3-a）和三角鋼琴（圖3-b），針對(duì)木材紋理方向分別設(shè)計(jì)成有別于其他弦軸板的方案。早在1950年，多層膠合弦軸板研制成功，并在此后不久取得專利。此后，弦軸板的膠合層數(shù)逐漸增加，直至19層的弦軸板，并被不斷地應(yīng)用在鋼琴中，發(fā)展成當(dāng)代鋼琴弦軸板的固有形制。

圖3 -a UP —Hexagrip? (#US3091149)

圖3 -b GP—Hexagrip? (#US3091149)

2 弦軸板的材性分析

2.1 弦軸板的結(jié)構(gòu)特征

弦軸板（pinblock / wrestplank）是一種由若干層薄板或單板（veneen / ply）進(jìn)行高溫層壓處理，并且與毗鄰層木材紋理形成具有一定規(guī)格角度的膠合板，其作用是穩(wěn)固弦軸，并同鐵支架一同承受纏繞在弦軸上絕大部分的琴弦張力。由于鋼琴的弦軸板是直接關(guān)聯(lián)音準(zhǔn)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)部件，其材質(zhì)必須具備很強(qiáng)的抗斷裂強(qiáng)度、抗壓力強(qiáng)度以及抗彎曲強(qiáng)度，因此，闊葉樹種（硬木）被全世界鋼琴生產(chǎn)企業(yè)公認(rèn)是最適合制作鋼琴弦軸板的木材。

下面一組弦軸板的相關(guān)信息及數(shù)據(jù)來自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25457—2010 《鋼琴弦軸板》（見表1、表2）。

2.2 弦軸板材質(zhì)特性分析

鋼琴結(jié)構(gòu)中所使用的主要原材料為木材，除了共振板、肋木以及鍵盤等結(jié)構(gòu)常使用針葉材云杉類材料外，其余包括弦軸板、碼橋以及擊弦機(jī)等結(jié)構(gòu)使用的都是闊葉材——硬木材料。現(xiàn)列舉出國(guó)際上普遍使用的兩大類弦軸板材質(zhì)，即歐洲櫸木弦軸板（Beech pinblock）、北美硬楓木弦軸板（Hard maple pinblock）。

（1） 櫸木弦軸板

櫸木，即業(yè)內(nèi)所稱山毛櫸，主要產(chǎn)自歐洲，屬于榆科落葉喬木。其材性硬度堅(jiān)固，抗沖擊、抗壓、抗彎強(qiáng)度優(yōu)，握釘力性能佳，干燥時(shí)易出現(xiàn)裂紋。因此，常被用作建筑和機(jī)械制造木材。中國(guó)南方雖也盛產(chǎn)櫸木，即“南榆”，但國(guó)內(nèi)木材市場(chǎng)出售的多是木質(zhì)穩(wěn)定的進(jìn)口櫸木。

歐洲大陸的櫸木樹干直徑為600 mm～1200 mm，高度在35 m～55 m，平均樹齡為80年～120年，是生長(zhǎng)在蒙古和俄羅斯的樺木（Birch）樹干直徑和高度的兩倍，其基材生長(zhǎng)環(huán)境優(yōu)良、周身尺寸合乎標(biāo)準(zhǔn)（見表3）。

表1 術(shù)語(yǔ)及要求列表

表2 尺寸與數(shù)據(jù)列表

表4 北美楓木弦軸板和歐洲櫸木弦軸板的比較列表：

由于現(xiàn)代鋼琴弦軸板制作工藝的差別和各個(gè)生產(chǎn)加工部門的要求，在層數(shù)上多以19層為準(zhǔn)。以德國(guó)帝豪尼特（Dehonit?）制作的弦軸板為例——?dú)W洲櫸木的材質(zhì)，其弦軸板的密度由其重量決定，每一層的密度和重量逐漸遞增（首層的重量由2.65 kg、2.92 kg、2.80 kg……遞增至19層，密度由首層的0.68 g/cm3、0.75 g/cm3、0.71 g/cm3……遞增至19 層）。這樣做的優(yōu)勢(shì)是最大限度地發(fā)揮出櫸木板的力學(xué)材性，使弦軸植入弦軸板內(nèi)的扭力保持20 Nm的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）硬楓木弦軸板

楓木，又稱槭木，屬于槭樹科。槭樹屬闊葉落葉喬木類別，并按照硬度可分為硬楓木和軟楓木兩種。用于樂器的木材應(yīng)選用硬楓木，其材性膠合性能強(qiáng)，結(jié)構(gòu)均勻，抗沖擊、抗磨、抗彎強(qiáng)度優(yōu)，握釘力性能佳，干燥時(shí)易翹曲，是制作鋼琴弦軸板的常用木材。

由硬楓木材質(zhì)制作的弦軸板在層壓膠合的過程中，主要是以層數(shù)計(jì)算為主導(dǎo)，其密度范圍較大，每一層單板較之櫸木弦軸板厚。一般情況下，薄板的層數(shù)為基數(shù)，如3層、5層、7層……19層等。當(dāng)然，薄板層數(shù)也有偶數(shù)的情況發(fā)生，如施坦威鋼琴的6層弦軸板就是特例。因此，可以考慮制成類似施坦威鋼琴單板較厚、層數(shù)較少的結(jié)構(gòu)的弦軸板。

施坦威鋼琴采用的硬木木材即原產(chǎn)自北美的硬楓木糖楓（sugar maple）材質(zhì)，分布遍及美國(guó)洛基山脈東側(cè)和太平洋沿線北部，適合做鋼琴的弦軸板和擊弦機(jī)部件。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部門森林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，硬楓的抗壓強(qiáng)度是最適合且最常被弦軸板所使用的加工材料，木材端部紋理至少要比側(cè)面紋理好3倍，且彈性也會(huì)好10 ～20倍。

圖4 施坦威鋼琴六層弦軸板專利示意圖

以F. H. WALSH為施坦威公司發(fā)明的六層弦軸板專利（Hexagrip?，US3091149）為例（見圖4），其獨(dú)特之處在于木材的紋理，即四分縱鋸徑切的6層或7層層壓薄木硬楓木原料，紋理被均勻地配置為相繼成45°、90°的層疊角度，利用木材一致的紋理方向?qū)⑾逸S全部抱握住，弦軸的所有方向面都被楓木的端部紋理緊緊圍握。所以，給弦軸提供最大限度的抓握性能。這種設(shè)計(jì)會(huì)使弦軸具有更為平穩(wěn)的扭矩運(yùn)動(dòng)以及更加均衡地保持這種堅(jiān)實(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)置。

櫸木弦軸板在密度上的均勻性決定了其材質(zhì)在力學(xué)強(qiáng)度方面的突出特性，并由密度為計(jì)算主導(dǎo)來增強(qiáng)弦軸板的材質(zhì)性能；而楓木弦軸板在密度范圍大的基礎(chǔ)之上，依靠每層層壓板不等厚的尺寸以及每層單板紋理方向與毗鄰層的相對(duì)面中的紋理的角度設(shè)置，用6層、7層以及9層等較少層數(shù)的層壓板，通過減少膠層來實(shí)現(xiàn)弦軸板的力學(xué)性能。

2.3 弦軸板的材質(zhì)特性考量

以下是筆者從廣州珠江鋼琴?gòu)S和營(yíng)口西爾伯曼鋼琴?gòu)S經(jīng)過實(shí)地考查，針對(duì)弦軸板材質(zhì)特性進(jìn)行測(cè)試的過程和結(jié)果，所測(cè)弦軸板的材質(zhì)均來自歐洲櫸木。

因?yàn)楦鱾€(gè)鋼琴?gòu)S從原材料工廠引進(jìn)的多層層壓膠合板后，仍需對(duì)大板再次進(jìn)行含水率的測(cè)試、測(cè)量、烘干，甚至是人工干燥。因此，弦軸板的再加工程序和組裝過程需伴隨弦軸的三次扭矩測(cè)試（弦軸板材質(zhì)特性考量），此過程直至鋼琴出廠前才得以結(jié)束。

鋼琴的弦軸板大板經(jīng)過開鋸成型、機(jī)器膠合（立式鋼琴弦軸板甲板，即多層層壓膠合板與弦軸板底板 / 弦軸板后方的墊條膠粘）、鉆孔定位、碼克連接、固定支架以及木圈安裝的加工過程后，需進(jìn)行第一次弦軸扭矩測(cè)試。具體方法為：使用專用設(shè)備對(duì)弦軸板進(jìn)行鉆孔，并于每音區(qū)植入1至2個(gè)弦軸進(jìn)行弦軸扭矩測(cè)試，符合工藝要求（18 Nm～22 Nm，180 kgm ～220 kgm）方可進(jìn)行整臺(tái)鋼琴弦軸板鉆孔工序；不符合工藝要求需針對(duì)具體情況進(jìn)行鉆頭的更換（扭力過大，需更換更大直徑的鉆頭；扭力過小，需更換更粗的弦軸）。當(dāng)鉆孔工序和掛弦工藝程序完成之后，因弦軸扭矩在琴弦拉力的作用下會(huì)發(fā)生變化，因此，需要進(jìn)行第二次扭矩測(cè)試。測(cè)試的結(jié)果應(yīng)較第一次測(cè)試低，工藝標(biāo)準(zhǔn)為（16 Nm ～20 Nm，160 kgm～200 kgm）。此外，由于鋼琴在出廠前需經(jīng)過7次調(diào)律（3次拔音和4次調(diào)律），當(dāng)最后一次調(diào)律結(jié)束后，需對(duì)弦軸進(jìn)行最后一次扭矩測(cè)試，并確保達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（≥15 Nm，≥150 kgm）。

2.4 弦軸板材性考量結(jié)果

以廣州珠江UP118為第一次扭矩測(cè)試產(chǎn)品（見圖5）。測(cè)試設(shè)備為扭矩扳手（扭矩單位：Nm），弦軸直徑6.9 mm，鉆頭直徑6.2 mm。

以營(yíng)口西爾伯曼UP123為三次扭矩測(cè)試產(chǎn)品（見圖6）。測(cè)試設(shè)備為扭矩扳手（扭矩單位：kgm），弦軸直徑6.9 mm，鉆頭直徑6.3 mm。

圖5 弦軸第一次扭力測(cè)試

表5 弦軸第一次扭力測(cè)試

表6 弦軸三次扭力測(cè)試結(jié)果

圖6 弦軸第三次扭力測(cè)試

3 結(jié)語(yǔ)

弦軸板作為鋼琴制作工藝中與音準(zhǔn)穩(wěn)定性最為密切的結(jié)構(gòu)部分，其歷史演變與材性革新促進(jìn)了鋼琴的整體發(fā)展。筆者希望把鋼琴弦軸板的結(jié)構(gòu)和材性進(jìn)行的系統(tǒng)分析，能夠?yàn)檎{(diào)律師們?cè)趯I(yè)技術(shù)方面提供更寬廣的理論依據(jù)。

[1] F.F.P.科爾曼.木材學(xué)與木材工藝學(xué)原理[M]. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社，1984.

[2] 周巍.西方鋼琴藝術(shù)史 [M].上海：上海音樂出版社，2003.

[3] 魯思?米德格雷.世界樂器[M]. 北京：中國(guó)青年出版社， 2004.

[4] 王秀根.弦軸和弦軸板[J].《樂器》，1991（4）.

[5] GB/T 25457—2010，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)∶鋼琴弦軸板[S].

[6] F. H. WALSH,STEINWAY&S O N S,WRESTPLANKS. Hexagrip?∶ US,3091149 [P].1963-05-28.