棒振動(dòng)、管振動(dòng)及棒管組合振動(dòng)原理在樂(lè)器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

應(yīng)有勤

（上海音樂(lè)學(xué)院，上海 200031）

樂(lè)器聲學(xué)的振動(dòng)原理是從各種實(shí)際存在的樂(lè)器狀況總結(jié)出來(lái)的，本文著重闡述棒振動(dòng)、管振動(dòng)及棒管組合的振動(dòng)方式和應(yīng)用原理。在現(xiàn)代樂(lè)器學(xué)分類(lèi)中，棒振動(dòng)屬于體鳴樂(lè)器（Idiophone），管振動(dòng)屬于氣鳴樂(lè)器（Aerophone）。人們關(guān)注到棒振動(dòng)與管振動(dòng)結(jié)合的“棒-管分體式耦合共鳴”（Coupling resonance of rod system vibration separated from pipe system vibration），但較少注意到“棒-管一體式耦合共鳴”（Rod vibration and tube vibration are coupled resonance on the same object），對(duì)其振動(dòng)方式和應(yīng)用模式總結(jié)得較少。以下對(duì)這三種樂(lè)器聲學(xué)原理的應(yīng)用模式展開(kāi)剖析。

1 棒振動(dòng)樂(lè)器的三種振動(dòng)模式

無(wú)論原生態(tài)棒振動(dòng)樂(lè)器，還是現(xiàn)代創(chuàng)新的棒振動(dòng)樂(lè)器，棒振動(dòng)模式的樂(lè)器的實(shí)體形態(tài)非常多。其既有兩端自由的固體棒，根據(jù)橫截面形狀的不同，可以是扁平矩形棒、圓形棒、圓管棒、方管棒、矩形管棒等；還有一端固定、另一端自由的棒振動(dòng)，這種彈性棒或稱“舌”更合適；另有一種較罕見(jiàn)的兩端固定的棒振動(dòng)。

1.1 兩端自由的棒振動(dòng)

兩端自由的固體棒（圖1）振動(dòng)時(shí)，有兩個(gè)對(duì)稱的“波節(jié)”（node）和三處“波腹”（antinode）（圖2）。如木琴音條、鋁板琴、非洲木琴（Balaphon）等樂(lè)器的音條，靠敲擊中間波腹處發(fā)音。

圖1 兩端自由的固體棒

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

非洲民間仍存在原生態(tài)的音條樂(lè)器（圖3）。

圖3 原生態(tài)音條樂(lè)器

1.2 一端固定、另一端自由的棒振動(dòng)

一端固定、另一端自由的彈性體振動(dòng)是靠撥動(dòng)如舌尖的一端振動(dòng)發(fā)音（圖4）。

圖4 一端固定、另一端自由的棒振動(dòng)及其發(fā)音原理

非洲民間仍存在原生態(tài)的撥簧樂(lè)器。

（1）非洲的姆比拉（mbira）、桑扎（sansa）（撥奏）（圖5）。

圖5 非洲撥奏樂(lè)器

（2）改良的半音齊全的撥簧琴（圖6）。

圖6 撥簧琴

（3）1796年，歐洲的八音盒（Music box）（撥奏）（圖7）由瑞士人安托·法布爾發(fā)明。在滾筒上設(shè)計(jì)有機(jī)械程序的撥針，用來(lái)?yè)軇?dòng)不同音高的梳狀簧片。最初有手搖式的，后改進(jìn)為有彈性的發(fā)條來(lái)驅(qū)動(dòng)。之后設(shè)計(jì)出成百上千的可愛(ài)的外形，把撥簧的構(gòu)造隱藏起來(lái)，掩蔽了青少年對(duì)這一樂(lè)器的了解。

圖7 八音盒

（4）竹舌琴（擊奏）（圖8）有單舌或多舌，共用一個(gè)共鳴筒，但一般都不屬于嚴(yán)格的耦合共鳴。

圖8 竹舌琴

圖9 哈皮鼓

（5）哈皮鼓（hapi）（拍奏或擊奏）（圖9）傳入中國(guó)后被稱為“空靈鼓”，多舌共用一個(gè)音箱，不屬于耦合共鳴。現(xiàn)在也應(yīng)用于道觀的一些道教音樂(lè)伴奏。

圖10 口弦

（6）口弦（Jew's harp）（圖10）依靠口腔改變大小而形成的腔體內(nèi)一定的頻率，與一個(gè)簧舌振動(dòng)時(shí)隱含的某個(gè)泛音頻率耦合振動(dòng)，成為可聽(tīng)音，變換中的口腔頻率能與簧舌上存在的不同泛音耦合共鳴，然后構(gòu)成不同音調(diào)。

1.3 兩端固定的棒振動(dòng)

盡管兩端固定的棒振動(dòng)與弦振動(dòng)類(lèi)似，但這種較厚的固體竹皮延展性比弦要小很多。例如壯族竹筒琴（咚噔）（圖11），用刀子切割挑起竹管外皮，并在兩端撐起碼子，中間波腹處的下方開(kāi)有圓孔，使竹管中氣柱與竹皮共鳴，但不屬于耦合共鳴。

圖11 壯族竹筒琴

2 管振動(dòng)（氣柱振動(dòng)）樂(lè)器的兩種振動(dòng)模式

2.1 兩端開(kāi)啟的管振動(dòng)

兩端開(kāi)啟的管稱“開(kāi)管”。涉及的樂(lè)器有笛、洞簫等管樂(lè)器（吹奏）。

2.2 一端封閉、另一端開(kāi)啟的管振動(dòng)

一端封閉、另一端開(kāi)啟的管稱“閉管”。涉及的樂(lè)器有中國(guó)和南美洲的排簫（吹奏）（圖12）。

圖12 排簫

所羅門(mén)群島上的原住民用一端封閉、另一端開(kāi)啟的竹筒頓地來(lái)激發(fā)筒內(nèi)的氣柱振動(dòng)（圖13）。音色空曠，很有特色。

圖13 竹筒

所羅門(mén)群島盛行拍管樂(lè)器，這種拍管兩端都開(kāi)啟著，拍其上端就瞬間形成閉管振動(dòng)，依音高排列如排簫狀，它被配置成不同音域的各種聲部，常為旋律配上分解和弦。越南的拍管琴稱ding pa，半音齊全，各音排列成鍵盤(pán)型（圖14）。

圖14 拍管琴

拍擊空掌對(duì)準(zhǔn)閉管竹筒沖氣，能發(fā)出空曠的樂(lè)音。在東南亞民間仍有這種原生態(tài)樂(lè)器。越南專(zhuān)業(yè)民族音樂(lè)團(tuán)，將其改良成上下兩排，呈鍵盤(pán)排列形式（圖15）。

圖15 越南閉管竹筒

3 棒管組合的耦合振動(dòng)模式

這里的“棒”，指的是兩端自由振動(dòng)的棒?！肮堋贝蠖嘀浮伴]管”，極少數(shù)為“開(kāi)管”，也包括“腔體”，以便于分析管內(nèi)氣柱和腔體內(nèi)空氣與棒振動(dòng)是否耦合的情況。

3.1 棒-管（箱）非耦合共鳴（木琴）

木琴（圖16）在許多東南亞國(guó)家都有，尤以泰國(guó)、緬甸等國(guó)家為多。船型共鳴箱的裝飾精致。因一箱對(duì)多根音片，不屬于耦合共鳴。

圖16 木琴

3.2 棒-管（容器）分體式耦合共鳴（非洲木琴）

非洲原生態(tài)木琴有巴拉風(fēng)（Balaphon）、馬林巴（Marimba）等（圖17），都在音條下方設(shè)葫蘆，腔內(nèi)的空氣頻率可造成音條耦合共鳴。但不是每根音條的耦合共鳴都很?chē)?yán)格。

圖17 非洲原生態(tài)木琴

3.3 棒-管（閉管）分體式耦合共鳴

現(xiàn)代馬林巴琴（圖18）的音條振波腹與下方的閉管發(fā)生耦合共鳴。音條頻率與共鳴管內(nèi)氣柱頻率調(diào)節(jié)一致，轟鳴聲較強(qiáng)，采用鍵盤(pán)式排列。

圖18 現(xiàn)代馬林巴琴

3.4 棒-管一體式耦合共鳴

（1）印度尼西亞昂格?。ˋngklung）

昂格隆也譯為“搖竹”（圖19）。它的框架上設(shè)有兩根音管，音管的管段內(nèi)空氣柱頻率與整段棒（管段加瓦段）的頻率發(fā)生耦合共鳴。音管在瓦段上的波節(jié)開(kāi)有一孔懸掛于橫竹桿，搖動(dòng)時(shí)，管底雙腳來(lái)回撞擊槽兩端發(fā)音。每個(gè)樂(lè)器設(shè)互為八度的兩根音管同時(shí)搖動(dòng)作為一音。演奏時(shí)每人執(zhí)一件，也有的持兩件或三件，各人所持音高不同，相互配合，隨節(jié)奏連成旋律。

圖19 昂格隆

（2）半管半瓦型越南懸竹琴（Dan trung）

越南的懸竹琴有一排、雙排、三排等形制（圖20）。音管的構(gòu)造和發(fā)音原理與昂格隆完全一樣。不同的是，昂格隆搖擊管底的“腹點(diǎn)”，懸竹琴是敲擊音管中間的“腹點(diǎn)”。懸繩均系于音管的“節(jié)點(diǎn)”上。音位排列已具有越南人創(chuàng)造的現(xiàn)代特色。用兩根雙頭槌擊奏，槌的雙頭快速輪番擊打成八度的兩音作為一個(gè)旋律音，音色頗有特點(diǎn)。

圖20 懸竹琴

（3）半管半瓦型東南亞竹風(fēng)鈴（Bamboo Campanula或Bamboo wind chime）

這種竹風(fēng)鈴（圖21）的音管構(gòu)造也與昂格隆音管完全一樣，由5～6根或更多根懸掛在一起，各管音高不同，隨風(fēng)吹動(dòng)而互相碰擊，隨機(jī)發(fā)出五聲音階等關(guān)系的音調(diào)。

圖21 竹風(fēng)鈴

（4）半管半瓦型印度尼西亞竹排琴（Grantang jegogan）

印度尼西亞竹排琴（圖22）音管的構(gòu)造也與昂格隆完全一樣。用繩系于音管上的兩個(gè)“節(jié)點(diǎn)”處，懸于裝飾精美的琴架上，排列成音階，用雙槌敲擊音管中間的“腹點(diǎn)”發(fā)音。

圖22 竹排琴

（5）棒-管（開(kāi)管）一體式耦合共鳴

印度尼西亞大竹排琴（圖23）的竹筒兩端都開(kāi)口，屬于開(kāi)管共鳴，相同頻率的管長(zhǎng)約是一端閉管的兩倍，所以音管體積很大。因?yàn)殚_(kāi)管中氣柱固有頻率必須與整根管的頻率一致，才能發(fā)生耦合共鳴。

圖23 大竹排琴

（6）印度尼西亞卡隆琴（calung）

卡隆琴（圖24）音管構(gòu)造也屬于昂格隆音管的同一原理的變體。用于民間藝人說(shuō)唱時(shí)的自伴樂(lè)器，一只手持黑色把柄，另一只手用細(xì)棒敲擊管中央發(fā)音，常采用分解和弦來(lái)伴奏唱詞旋律。

圖24 卡隆琴

（7）中國(guó)基諾族有“七柯”和“布姑”的單管結(jié)構(gòu)與昂格隆音管相近，人手執(zhí)一根，各自音高不同。

（8）雙棒-管（閉管）一體式耦合共鳴

菲律賓巴靈柄（Balinbing）（圖25）的發(fā)音原理較特別，它是一端自由、另一端固定的兩根相同頻率的瓦狀棒，呈音叉型。拍擊在手掌時(shí)，雙瓦狀棒發(fā)生共振，并與根部的閉管發(fā)生耦合共鳴。拍擊時(shí)，音頭發(fā)出吱吱聲，形成菲律賓民間音樂(lè)的一種特色。音色獨(dú)特，通常由六個(gè)人每人手持一根，各執(zhí)一音，形成旋律。

圖25 巴靈柄

4 結(jié)語(yǔ)

本文暫把弦鳴樂(lè)器和膜鳴樂(lè)器排除在外，所介紹和分析的樂(lè)器發(fā)聲原理集中在體鳴樂(lè)器的“棒”和氣鳴樂(lè)器的“管”的振動(dòng)方式以及“棒-管”的組合發(fā)音。分析例舉樂(lè)器的所謂“棒”和“管”的外形，實(shí)質(zhì)上也可能是表象。本文例舉的單純吹管樂(lè)器僅為笛和排簫。

棒振動(dòng)的“棒”可以是管狀的，其橫截面可以是實(shí)心的，也可以是空心的；可以是方管形的，也可以是圓管形的。而通常市場(chǎng)上的音條樂(lè)器僅應(yīng)用到棒振動(dòng)的兩種模式（兩端自由的棒振動(dòng)，一端固定、另一端自由的棒振動(dòng)），即使管形發(fā)音體，管并未起到共鳴作用。

當(dāng)涉及到“棒”與“管”共同起作用的范例時(shí)，可以觀察到大型馬林巴琴的音條與下面的共鳴管是分離式的耦合共鳴。歐洲人的耦合振動(dòng)智慧來(lái)自非洲原生態(tài)巴拉風(fēng)（Balaphon）音條及其共鳴的葫蘆。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)“管”與“棒”結(jié)合后，涉及“管”的管振動(dòng)，同時(shí)也作為棒的一部分。棒中有半段是瓦形，半段是管形，整根棒振動(dòng)時(shí)，其中的管段中氣柱固有頻率與整根棒的頻率發(fā)生耦合共鳴。不得不欽佩東南亞工匠發(fā)明“棒-管一體式耦合共鳴”的智慧之巧妙。鑒于這一發(fā)明，它的實(shí)體應(yīng)用模式多達(dá)七種。而實(shí)際上，相關(guān)形態(tài)的樂(lè)器實(shí)例遠(yuǎn)不止這些。希望中國(guó)在應(yīng)用“棒-管一體式耦合共鳴”原理上能開(kāi)拓出更多創(chuàng)新的樂(lè)器。