鋼琴音板的木材特性分析

盧向忱

摘 要：作為鋼琴的主要特性之一，其音質(zhì)是決定鋼琴品質(zhì)好壞的重要因素。鋼琴音質(zhì)則取決于鋼琴音板的特性，音板的木材特性能夠直接決定一架鋼琴的品質(zhì)。通過分析木材的特性，可以選出更為適合制作鋼琴音板的木材品種。本文主要針對鋼琴音板的組成與功能、共振板的選材和結(jié)構(gòu)特征、云杉木材的聲學(xué)特性展開分析，說明了選擇鋼琴音板應(yīng)當(dāng)綜合考慮木材的特質(zhì)，科學(xué)選擇。

關(guān)鍵詞：鋼琴 音板 木材特性

鋼琴的音質(zhì)與鋼琴音板有著最密切的關(guān)系，而進(jìn)行鋼琴音板制作的木材特性則決定了其的質(zhì)量優(yōu)劣。那么究竟選擇怎樣的云杉木材才能制作出高品質(zhì)的鋼琴音板呢？本文主要就鋼琴音板制作的結(jié)構(gòu)、音板的選材、云杉木材結(jié)構(gòu)和聲振動特性、以及木材振動中對鋼琴聲音影響的幾個(gè)重要的參數(shù)等相關(guān)問題作出闡述與分析。

一、鋼琴音板的組成與功能

臥式鋼琴的音板和立式鋼琴的音板形狀上的區(qū)別較大，但選材與結(jié)構(gòu)都相同。音板結(jié)構(gòu)包括共振板在內(nèi)的弦碼、肋木以及音板框這四個(gè)部分。①本文主要就鋼琴音板組建過程中的主體這一部分-共振板的木材性能進(jìn)行闡述與分析。

（一）共振板的結(jié)構(gòu)

共振板是由寬度為100～150毫米徑切的云杉木板粘合而成的長方形。一般立式鋼琴共振板的尺寸為1000毫米×l400毫米，臥式鋼琴為1400毫米×2300毫米，厚度一般為7～10毫米之間。此外，共振板必須呈弧面，其凸面粘有弦碼，凹面粘有肋木，使共振板兩側(cè)達(dá)到力的平衡。

（二）音板的功能及其所具有的作用

作為鋼琴的主要組成部分，鋼琴的音板可將弦碼接受琴弦的振動能量向空氣中進(jìn)行傳播，以達(dá)到強(qiáng)化音量的作用；此外，優(yōu)質(zhì)的音板還具有濾波器的作用，它能夠?qū)㈦s音濾掉從而得到和諧悅耳的音色。因此，作為音板的主要組成部分的共振板，其承擔(dān)著接受聲波并傳導(dǎo)聲波的主要功能。所以，共振板的選材、制作工藝會直接影響鋼琴聲音傳導(dǎo)性、均勻性、協(xié)調(diào)性和延展性等。

二、共振板的選材及結(jié)構(gòu)特征

（一）共振板的選材

制作共振板的主要木材是云杉。云杉為耐陰性較強(qiáng)的樹種， 喜寒冷與冷濕的氣候，在高緯度的寒帶、寒溫帶至低緯度的高山的陰坡、半陰坡和谷地形成純林。目前，全世界范圍內(nèi)遍布云杉40多種。而中國則是擁有云杉植物種類最多的國家，這其中有大約一半的不同種類的云杉分布在我國的東北、華北、西北、西南及臺灣的山地及亞高山地帶，尤以橫斷山地區(qū)種類最多，木材蓄積量豐富。根據(jù)葉的形狀、葉上氣孔線的多少和有無，可將云杉屬分為3組：①云杉組；②麗江云杉組；③魚鱗云杉組。②

（二） 云杉木材的自身結(jié)構(gòu)特性

云杉是一種樹干高而直、枝節(jié)少、紋理通直、材質(zhì)較為松軟、中等密度的木材。仔細(xì)觀察后您會發(fā)現(xiàn)，云杉這種木材的結(jié)構(gòu)不但細(xì)致而且非常均勻，于其上普遍有樹脂道，而木材的顏色則主要集中在乳白、淡黃、棕紅色這三種。其非常容易加工，且邊材與中心材的材質(zhì)區(qū)別并不是很明顯，同時(shí)還具有極好的共鳴特性。其中一種生長在中國北方森林中名為白松又稱魚鱗松的云杉，人們對其進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，其順紋傳聲的速度可以達(dá)到一秒內(nèi)5166米。還可對3000-5000高頻率/秒的發(fā)音進(jìn)行阻隔。（參見胡揚(yáng)吉、陳善詳《鋼琴的音板結(jié)構(gòu)及其聲學(xué)品質(zhì)》，《聲學(xué)技術(shù)》2008年第四期）。另外，人們還在歐洲中部地區(qū)和東部地區(qū)發(fā)現(xiàn)了具有同樣共振優(yōu)越性的云杉。正是由于云杉所具有的這種優(yōu)質(zhì)共振特性，所以非常適合被用于制作鋼琴音板。③

音板的選材，不僅對云杉木材基本結(jié)構(gòu)屬性有充分的認(rèn)識，還必須運(yùn)用木材振動性質(zhì)合理的評價(jià)各樹種木材聲學(xué)性能，以指導(dǎo)鋼琴共振板的合理選材。

三、云杉木材的聲學(xué)特性

（一）木材進(jìn)行振動的基本方式

通過研究人們發(fā)現(xiàn)，木材進(jìn)行振動的方式主要有三種：一是木板縱向振動情況。此時(shí)，振動的質(zhì)點(diǎn)會隨著移動方向的變化并平行的與介質(zhì)內(nèi)因力的方向發(fā)生振動。其的振動頻率保持在fr上進(jìn)行共振，同時(shí)也會在fr頻率的整數(shù)倍上發(fā)生共振，不過此時(shí)的振動被人們稱為高次諧的振動。二是木板橫向振動情況。所謂橫向性的振動是在振動質(zhì)點(diǎn)出現(xiàn)位移情況時(shí)與應(yīng)力方向發(fā)生相互垂直運(yùn)動時(shí)所產(chǎn)生的振動。人們也將橫向振動稱為彎曲運(yùn)動；三是逆轉(zhuǎn)的振動。此振動方式為，當(dāng)震動的元素出現(xiàn)位移時(shí)，會向其周圍試件的長軸進(jìn)行周期性回轉(zhuǎn)而引發(fā)的。一般情況下，樂器木材上的振動多為橫向的彎曲振動，其中鋼琴的音板振動便屬于此一類型④。因此，在鋼琴制作的過程中，將共振板木材的振動做到最佳是根本。而木材共振主要是靠發(fā)音的強(qiáng)度和內(nèi)在摩擦力所決定的。其中音響系數(shù)越大，則共振性能越強(qiáng)。在受到外界力的沖擊下，木材便可根據(jù)自身的振動輻射發(fā)出音來，即我們所聽到的動聽音樂。

（二）影響木材振動的幾個(gè)參數(shù)

木材振動的幾個(gè)參數(shù)包括：相對密度、動彈性模量、聲輻射品質(zhì)常數(shù)、生長輪寬度、晚材率等幾個(gè)主要參數(shù)，它們的不同變化對鋼琴聲音產(chǎn)生重要的影響。

1.木材相對密度

密度是某一物體單位體積的質(zhì)量，通常以g/cm3或kg/m3表示。其與含水率存在著一定的關(guān)聯(lián)性，不同含水率下，密度是不同的。據(jù)此，人們用三種方式進(jìn)行表示。

（1）基本密度：

基本密度=■g/cm3

（2）全干密度：

試材的全干質(zhì)量對全干體積的比值，即：

全干密度=■g/cm3

（3）氣干密度：

通常是指在氣干后木材的含水率為15%時(shí)的密度。

氣干密度=■g/cm3

木材的相對密度是一個(gè)比值，與木材密度相同。如，某木材氣干材的密度0.278g/cm3，水在4℃時(shí)的密度是1g/cm3，將二者相比，得0.278，這表明其的相對密度是0.278。⑤

2.動彈性模量

動彈性模量分為縱波動彈性模量（公式為：EL= 4L2f2m pm2 ）和橫波動彈性模量（公式為：EF=48∏p L4f2m /（m2 T2）。⑥木材動彈性模量的數(shù)值，則是衡量木材聲學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。

3. 聲輻射品質(zhì)常數(shù)

木材在發(fā)生振動以后，在未受到外力施力的情況下，其振動的能量則會相應(yīng)衰退消失。所謂木材聲輻射能力指的是，向空氣進(jìn)行輻射時(shí)聲功率的情況，用木材密度和彈性模量關(guān)系來說明木材的聲學(xué)性質(zhì)。即公式為：

R=■（式中：R——木材聲輻射品質(zhì)常數(shù)， E——木材彈性模量， P——木材密度）。

R代表木材對聲輻射的一種能力。通過公式得出R和E的平方根具有正比例的關(guān)系，但是和木材密度的盧立方平方卻存在成反比例的關(guān)系。在木材聲學(xué)性質(zhì)角度下，該常數(shù)的絕對值越大，則木材品質(zhì)會越高。就此我們得出，那些密度相對較高的木材，其的R則相對較低。就云杉木材而言，其的密度并不高，但彈性模量卻很大，所R較大，經(jīng)過測算可得出R的絕對值要大于1200。⑦

4.生長輪寬度

木材的宏觀構(gòu)造特征包括生長輪寬度和晚材率。生長輪寬度與管胞長度、管胞直徑、管胞壁厚、壁腔比、長寬比、胞壁率和纖絲角等木材解剖分子形態(tài)特征有關(guān)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：鋼琴共振板所用木材的生長年輪最適度寬度（1.0mm—1.5mm），其動彈性模量、聲輻射品質(zhì)常數(shù)較大。因此，木材聲能損耗小，振動能量大，振動聲音持久。⑧

5.晚材率

木材的晚材率是指晚材在一個(gè)年輪中所占的比率。其計(jì)算公式為： P = b / a ×100% 其中：P代表晚材率，用%表示；a代表年輪的寬度，單位厘米；b是一個(gè)年輪內(nèi)晚材的寬度，單位厘米。

我們用晚材率即P來對木材強(qiáng)度的大小進(jìn)行衡量值，所以木材的晚材率如實(shí)較大，相應(yīng)的木材硬度也會很高。不僅如此，晚材率還P與動彈性的模量、聲輻射品質(zhì)的常數(shù)之間存在非常緊密的關(guān)聯(lián)性。而最適合做鋼琴共振的晚材率應(yīng)在15%—28%之內(nèi)。

（三）木材傳聲性能

木材是由管狀細(xì)胞組成的，所以有良好的傳聲性，為了衡量傳聲，人們便確定了聲速這一衡量指標(biāo)。

其中，在木材中聲音所傳遞的速度同彈性模量即E的平方根之間存在正比例關(guān)系，而與密度p的平方根則具有反比例關(guān)系。這同時(shí)表明，聲的傳播是取決于木材的剛度與密度的。

公式為：

υ=■（式中：υ——在木材中聲傳遞速度，E——木材彈性模量， P——木材密度）。

作為向異性材料，木材在傳聲的過程中是很有規(guī)律的，同時(shí)還存在一定的方向性，且會隨年輪的方向發(fā)生不同的改變。通常與橫向年齡傳播相比順著年輪的方向進(jìn)行傳遞時(shí)的速度會更大、更快。我看哈將橫年輪方向在此進(jìn)行了分析得出了徑向和弦向，其中徑向傳遞速度要更快。對云杉進(jìn)行相關(guān)的測試后得出

順年輪方向的傳聲速度可達(dá)到每小時(shí)5000米，而徑向時(shí)的速度則為每小時(shí)1450m米，弦向時(shí)的速度為每小時(shí)850米，這說明木材傳聲具有向異性。⑨

而正是由于木質(zhì)中聲波傳播的不同，引發(fā)了音板振動不均勻情況發(fā)生。所以，肋木結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)在了鋼琴的音板上。其既可起到強(qiáng)化共振硬度、抵抗弦馬壓力的作用，又能起到將橫越年齡聲波進(jìn)行傳遞的作用。進(jìn)而促使音板發(fā)生整體共振，將其內(nèi)不均勻性消除。

結(jié)語

作為樂器中非常重要的一個(gè)組成部分，鋼琴音板的發(fā)生振動不是孤立的個(gè)體。其實(shí)，一臺鋼琴的構(gòu)成正是由其和其他組件做構(gòu)建完成的，因其的不同而產(chǎn)生了不同品質(zhì)的、不同風(fēng)格的鋼琴。這表明，任意一臺鋼琴的音板都是獨(dú)一的，不會發(fā)生重復(fù)情況，只能是相似。這同時(shí)表明，云杉的每一段木材都是獨(dú)立的，用其所制作出的音板各有不同。這便要求我們在進(jìn)行鋼琴制作的過程中，應(yīng)以科學(xué)的方法來對各個(gè)工藝、流程進(jìn)行指導(dǎo)。不能生搬硬套數(shù)據(jù)公式來自作，一定要重視起學(xué)生和工人工作態(tài)度及專業(yè)性的培養(yǎng)。以達(dá)到提升其對于制作原料木材性質(zhì)能力進(jìn)行判斷、處理的能力，確保木材被充分的利用，為實(shí)現(xiàn)制作出最為優(yōu)質(zhì)、高品質(zhì)鋼琴奠定下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

注釋：

邵申弘.鋼琴結(jié)構(gòu)概論[M].遼寧教育出版社，2009.

程生寶，韓繼賢.鋼琴的木材選材[M].

李堅(jiān)，葛明裕.木材科學(xué)研究[M].科學(xué)出版社，2009.

馬爾妮，趙廣杰.木材物理學(xué)專論[M].中國林業(yè)出版社，2012.

鄒孝廉，徐守春，董瑾.鋼琴木材與涂飾工藝[M].中國輕工業(yè)出版社，2002.

劉鎮(zhèn)波，沈雋著，劉一星主審.共鳴板用材的振動特性與鋼琴的聲學(xué)品質(zhì)[M].科學(xué)出版社，2009.

鄒孝廉，徐守春，董瑾.鋼琴木材與涂飾工藝[M].中國輕工業(yè)出版社，2002.

劉鎮(zhèn)波，沈雋著，劉一星主審.共鳴板用材的振動特性與鋼琴的聲學(xué)品質(zhì)[M].科學(xué)出版社，2009.

鄒孝廉，徐守春，董瑾.鋼琴木材與涂飾工藝[M].中國輕工業(yè)出版社，2002.

作者單位：沈陽音樂學(xué)院