風(fēng)鈴及其類(lèi)似發(fā)聲設(shè)備中的物理原理*

陳曉霞 李成金

（1.蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院；2.蘇州城市學(xué)院）

一、引言

風(fēng)鈴是許多人美好的童年回憶，無(wú)論是看到的、聽(tīng)到的，甚至是自己擁有的風(fēng)鈴，都深深地刻在我們的記憶里。隨著人們生活水平的提高，風(fēng)鈴以及類(lèi)似于風(fēng)鈴的音樂(lè)玩具，如八音琴、木琴、鋁板琴以及靈璧石八音琴等，處處可見(jiàn)，如圖1所示，且價(jià)格不高。然而，在重視學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)的今天，啟發(fā)學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手，制作一個(gè)風(fēng)鈴，從而引導(dǎo)學(xué)生探究風(fēng)鈴的發(fā)音原理、風(fēng)鈴的制作、安裝與調(diào)試技巧，不失為一個(gè)好的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。盡管從物理學(xué)的角度，管（棒、板）狀物體的振動(dòng)狀態(tài)描述比較復(fù)雜，但是，從定性或半定量以及經(jīng)驗(yàn)公式角度介紹他們的振動(dòng)，也是可以理解的，何況許多物理現(xiàn)象，都可以在不同層面上進(jìn)行研究和介紹。

圖1 風(fēng)鈴八音琴

二、準(zhǔn)備工作與制作方法

（一）材料準(zhǔn)備

制作風(fēng)鈴（或類(lèi)似的樂(lè)器）的材料有：4寸（或6寸）鋼管10米左右（銅管音質(zhì)更好，但價(jià)格比較貴），10號(hào)鍍鋅鐵線(xiàn)1米，尼龍細(xì)繩4米，用于懸掛風(fēng)鈴管的支架。如果只需要做幾根風(fēng)鈴管，且通過(guò)自然風(fēng)隨機(jī)敲擊風(fēng)鈴，還需要一些其他材料，如直徑200mm圓形密度板一塊（懸掛一圈風(fēng)鈴管），直徑120mm圓形密度板一塊（風(fēng)吹敲擊管子），不銹鋼帶鉤的m6螺栓即螺母，套數(shù)與風(fēng)鈴管數(shù)相同，不銹鋼吊環(huán)m12螺栓1根（直桿部分長(zhǎng)度約30mm，環(huán)直徑約30mm）。

（二）工具準(zhǔn)備

風(fēng)鈴制作工具有：鋼管切割機(jī)（或切管器），臺(tái)鉆（或手鉆），老虎鉗，銼刀，剪刀，鋼卷尺，砂輪，計(jì)算器。

（三）知識(shí)準(zhǔn)備

1.振動(dòng)和波的一般知識(shí)

振動(dòng)和波動(dòng)是日常生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象，例如人語(yǔ)是聲帶振動(dòng)在空氣中形成了聲波，聲波與耳膜、耳鼓以及聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)的相互作用，使人們聽(tīng)到了講話(huà)與歌唱。琴弦、風(fēng)鈴以及其他八音琴的發(fā)聲與聲帶振動(dòng)是類(lèi)似的，都是外界的沖擊或彈撥振動(dòng)體引起的振動(dòng)在空氣中的傳播。研究他們的性質(zhì)和規(guī)律屬于物理學(xué)與材料工程學(xué)的任務(wù).我們通常聽(tīng)到的音樂(lè)，無(wú)論是歌聲還是器樂(lè)聲都是振動(dòng)體發(fā)出的多種頻率的混合聲波，其中包括基頻和不同的倍頻（或諧波），這種基頻和諧波的混合是比較悅耳動(dòng)聽(tīng)的，而單獨(dú)一個(gè)頻率的聲波是比較單調(diào)乏味的。

從工程的角度，振動(dòng)體發(fā)出的聲波相當(dāng)復(fù)雜，計(jì)算他們振動(dòng)發(fā)出的頻率也很復(fù)雜，其中，最常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單的是弦的振動(dòng)，例如，鋼琴弦、吉他弦等。弦在彈撥時(shí)發(fā)出聲音是多個(gè)頻率（即基頻和倍頻）的混合.并且，其頻率fn的大小由琴弦金屬（絲）的拉力T、質(zhì)量線(xiàn)密度以及長(zhǎng)度L來(lái)決定[1][2]，即

其中n取1,2,3.等整數(shù)，且n=1時(shí)，為最低頻率，稱(chēng)為基頻，其他都是倍頻。我們通常所聽(tīng)到的琴聲，就是基頻與不同倍數(shù)頻率的混合，但基頻的強(qiáng)度比倍頻大很多，因此，音調(diào)主要由基頻來(lái)決定。

2.風(fēng)鈴管類(lèi)物體的振動(dòng)性質(zhì)

（1）振動(dòng)頻率

風(fēng)鈴管或八音琴類(lèi)的振動(dòng)比弦振動(dòng)稍復(fù)雜一些。這些樂(lè)器有的是水平放置，有的是豎直懸掛，且兩端都是自由的。根據(jù)它們振動(dòng)和波動(dòng)中所服從的動(dòng)力學(xué)方程、初始條件、邊界條件以及材料力學(xué)知識(shí)，可以求解出其振動(dòng)頻率fn所滿(mǎn)足的方程[3]，即

其中kn取值為，k1=1.505，k2=2.499，，k1對(duì)應(yīng)的頻率即為基頻，k2，k3，等即為“倍頻”，引號(hào)表示不是簡(jiǎn)單的、嚴(yán)格意義上的倍頻。Y是材料的楊氏模量，為密度，S為橫截面積，L為長(zhǎng)度，I為材料的慣性矩[4]，它由材料的形狀和幾何尺寸決定，具體情況如下：

①實(shí)心的圓桿

其中D是桿子的直徑，如圖2（a）所示。

②實(shí)心的八音琴（靈璧石八音罄）

其中b是寬度，h為高度（厚度），如圖2（b）所示.

③空心圓管——風(fēng)鈴管

其中，d、D分別為管的內(nèi)直徑與外直徑，如圖2（c）所示。將（4）式、（5）式代入（2）式，整理得

圖2 三種不同截面的柱體

（2）標(biāo)準(zhǔn)音的頻率與管子長(zhǎng)度的計(jì)算

眾所周知，音調(diào)有固定的頻率，如常見(jiàn)鋼琴有88個(gè)琴鍵，用于彈奏88根弦，其中的每根弦的振動(dòng)具有固定的頻率，因此，風(fēng)鈴管要發(fā)出準(zhǔn)確的聲音，其基頻的頻率值也要跟標(biāo)準(zhǔn)的音調(diào)一致。通過(guò)音頻信號(hào)分析軟件發(fā)現(xiàn)，自然振動(dòng)體產(chǎn)生的音頻信號(hào)，其基頻的信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)，且占?jí)旱箖?yōu)勢(shì)，因此，這些聲音的效果主要由基頻決定。表1給出了C調(diào)兩個(gè)8度標(biāo)準(zhǔn)音的音名及對(duì)應(yīng)的基頻頻率值。

表1 C調(diào)一些標(biāo)準(zhǔn)音的頻率和音名

表1中的數(shù)據(jù)表明，要彈奏出標(biāo)準(zhǔn)的聲音，其基頻必須發(fā)出正確的頻率，如鋼琴的中央C4頻率的準(zhǔn)確值為261.60Hz，鋼琴的調(diào)音師往往是拿著校音器，且憑著經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)音的。

從（2）式或（6）式可知，對(duì)于確定的材料，要使之發(fā)出確定的音頻（主要是基頻），其長(zhǎng)度L是確定的。讀者若選好了材料，如管材，需要自己測(cè)量（游標(biāo)卡尺）管的內(nèi)、外直徑d、D.從可靠的資料中查閱材料的密度和楊氏模量Y，帶入（6）式，其中kn取k1，即k1=1.505，經(jīng)過(guò)變形，可計(jì)算長(zhǎng)度L，即

將 表1中每個(gè)音的頻率代入（7）式，即可算出需要切割的每個(gè)音的管長(zhǎng)。值得注意的是，上述數(shù)據(jù)要盡可能的準(zhǔn)確，有一點(diǎn)誤差都會(huì)導(dǎo)致音不準(zhǔn)！如果出來(lái)的音稍微偏低，說(shuō)明管子稍長(zhǎng)了一點(diǎn)，可以將管子用砂輪磨短一點(diǎn)，進(jìn)行微調(diào)；如果聲音偏高，表明管子短了，無(wú)法加長(zhǎng)，可以再短一點(diǎn)，用做更高音管子。

（3）懸掛點(diǎn)的確定

由于風(fēng)鈴管以及八音琴的振動(dòng)體都需要懸掛或水平固定的，而懸掛點(diǎn)或支撐點(diǎn)會(huì)大大地影響振動(dòng)，從而影響發(fā)聲。所以，懸掛點(diǎn)或支撐點(diǎn)的選擇是這類(lèi)樂(lè)器制作的關(guān)鍵。大學(xué)物理根據(jù)波動(dòng)方程求解的結(jié)果指出，兩端自由的風(fēng)鈴管或八音琴的振動(dòng)體在垂直于軸線(xiàn)敲擊，產(chǎn)生振動(dòng)并沿著軸線(xiàn)傳播時(shí)，會(huì)形成駐波，駐波的波節(jié)點(diǎn)幾乎沒(méi)有振動(dòng)，因此在該點(diǎn)懸掛或支撐，對(duì)于振動(dòng)影響最小，其基頻和“倍頻”對(duì)應(yīng)的駐波波節(jié)點(diǎn)有固定的位置， 基頻有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的波節(jié)點(diǎn)，均位于距離兩端點(diǎn)的管長(zhǎng)L的22.4%處，即離管端點(diǎn)為0.224L處[5]。

（四）制作與安置

1.風(fēng)鈴管的懸掛

風(fēng)鈴管切割、磨邊后，在距離管端口0.224L處沿著直徑方向?qū)⒐茏哟虼?，口徑約5mm，用10號(hào)鍍鋅鐵絲完成如圖3所示的形狀，將鐵絲橫穿過(guò)管子，在鐵絲中心系一尼龍繩，繩的上端懸掛于支架上，將管子自然下垂.此時(shí)用小木錘在管的下端，垂直于管軸敲擊管子，就會(huì)發(fā)出悅耳動(dòng)聽(tīng)的聲音.將所有管子從左至右，按照管的長(zhǎng)度，從長(zhǎng)到短懸掛起來(lái)，就完成了風(fēng)鈴的制作。

圖3 風(fēng)鈴的懸掛

2.八音琴的放置

與風(fēng)鈴的制作相似，把（3）式代入（2）式，并注意，S=bh，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得出八音琴桿子的長(zhǎng)度計(jì)算公式如下，

把表1中的頻率分別代入（7）式，可知所需桿子的長(zhǎng)度，同樣在管兩端距離0.224L處打孔，并安裝于“八”字形軌道上（注意軌道與桿子不能直接接觸，期間需要用短的細(xì)管隔離開(kāi)，否則會(huì)影響桿子的振動(dòng)發(fā)聲）。將一系列桿子做好后，固定于軌道上，如圖1（b）所示，八音琴的制作就大功告成了。如果在桿子背面并排安裝一些管子作為音箱，可以加強(qiáng)聲音效果，并增大音量.

三、音樂(lè)啟蒙與科學(xué)普及

音樂(lè)和科學(xué)是跨宗教、跨種族、跨文化、跨年齡及跨性別的人類(lèi)交流和共享的文明成果。把科學(xué)與音樂(lè)相結(jié)合，可以使人們?cè)谙硎軆?yōu)美音樂(lè)的同時(shí)，感悟其中的科學(xué)道理。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家中，許多公共娛樂(lè)場(chǎng)所，尤其是兒童的娛樂(lè)場(chǎng)修建了許多跟音樂(lè)相關(guān)的游戲設(shè)備，如風(fēng)鈴及其變體。當(dāng)然，還有一些圖書(shū)館、科學(xué)館以及學(xué)校的公共區(qū)等地也會(huì)修建一些其他的科學(xué)設(shè)施，在進(jìn)行科學(xué)普及的同時(shí)，使人們對(duì)于科學(xué)產(chǎn)生一定的向往和敬畏。

四、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了風(fēng)鈴管、八音琴等樂(lè)器的制作與安裝調(diào)試過(guò)程，其中既涉及到了物理學(xué)相關(guān)知識(shí)與概念以及測(cè)量工具的使用，也涉及了材料力學(xué)和音樂(lè)的相關(guān)知識(shí).鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手制作一些自己喜歡的樂(lè)器或其它作品，不僅可以強(qiáng)化相關(guān)知識(shí)、踐行理論與實(shí)際相結(jié)合的理念，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題以及解決問(wèn)題能力。事實(shí)上，細(xì)心的學(xué)生在調(diào)試風(fēng)鈴時(shí)，可能還會(huì)發(fā)現(xiàn)聲音中還會(huì)有拍的現(xiàn)象，敲擊不同位置聲音大小不同，且發(fā)出的音調(diào)也會(huì)有所不同。這些現(xiàn)象還會(huì)促使學(xué)生進(jìn)一步探究風(fēng)鈴的其他性質(zhì)，比如二倍頻的波節(jié)數(shù)及位置等。