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秦敏静教授在《乐器》撰文阐述 立式钢琴高音区双泛音结构的理论与应用的重要作用

2012-05-10

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2012年4月,现任沈阳音乐学院乐器工艺系副主任、硕士生导师秦敏静教授通过对“哈曼尼”133系列钢琴长期、认真、细致的研究,并结合多年钢琴制造理论经验,撰写了《立式钢琴高音区双泛音结构的理论与应用》一文。该文被国家级核心刊物—《乐器》杂志刊登在2012年第四期24—26页。

钢琴的发展已日趋完美,但许多钢琴厂家仍不断的在完美中求创新,想方设法的设计制造出属于自己独特音色的钢琴。钢琴高音区的音色,一直以来都是钢琴制造者们追求的目标。本文论述的立式钢琴双泛音的结构装置,既是通过福州bwin官网登录入口厂哈曼尼133型号钢琴的研究,阐述一种能够利用琴弦的有效弦长与倍频关系声学原理,使立式钢琴的高音区采用双泛音结构装置的琴弦,在振动发音时,除了有效振动之外的不工作的两部分产生与有效振动频率谐和的倍频谐波,形成音响的双泛音效果,使高音区达到清澈、柔美且具有穿透力的音色。

将琴弦的无效弦长振动部分进行有效的利用.体现在很多三角钢琴的高音区弦列设计上。这一项专利的发明,早在19世纪的后半叶,就被施坦威D系列的九尺大钢琴所采用(如图1)。施坦威的高音区弦列的设计,采用的是单泛音的结构形式.即是将码钉到挂弦钉这一无效振动部分,在每组琴弦通过的地方放置一个弦枕,这个弦枕的位置恰好是使弦枕到码钉的弦长等于有效弦长的1/2处,有效弦长振动的传导,使得这一部分无效弦长产生了谐音,从而达到丰富了高音区的音色的目的。这项专利的发明,在现代立式钢琴的生产中得到了充分的利用。

一、立式钢琴高音区琴弦连接的结构形式

弦列设计是钢琴设计的最基本问题。在任何一架钢琴上,琴弦的连接形式都是起始于弦轴,经过弦枕,在弦码处经过一个曲折角后,绕在铁支架上的挂弦钉上,再以相同的方式逆回到另一个弦轴上结束(如图2).


弦列设计中的弦长计算,是指琴弦的有效振动部分,而不是琴弦的全部长度。在整条琴弦连接的过程中,按其在振动中所起到的作用,被划分成两个部分,即琴弦振动的有效工作部分和无效工作部分。琴弦的有效工作部分是指从弦枕到码钉之间的这一段有效弦长(如图2中的Ⅱ部分),它是按照一定频率的振动发音,并决定着声音的高低。琴弦的无效工作部分是指从弦枕到弦轴、码钉到挂弦钉处的两段无效弦长(如图2中的I、III两部分),它不参与琴弦的振动。无效弦长在琴弦的连接过程中的作用是用来固定连接有效弦长的两段琴弦.在现代钢琴设计师们的设计中,为了更加丰富高音区的音色,他们把不参与琴弦振动工作的无效弦长进行充分的有效利用,通过确定弦枕的有效位置来使原本不振动的弦长,按照形成倍频音的弦长比例进行设计,使其产生与有效振动频率谐和的倍频谐波,形成音响双泛音的效果,进而达到使高音区的音色更加丰富的声音品质。

二、高音区琴弦双泛音结构的特征

双泛音结构是由铁支架、弦轴、琴弦、码钉、压线条、(上、下)弦枕和铁支架上的挂弦钉构成的(图3)。普通的压弦条和弦枕将(图2)中的和I、Ⅲ区域两段弦为琴弦的无效振动弦长,Ⅱ区域为琴弦的有效振动弦长。采用了双泛音结构后的三段压弦条和弦枕,将无效振动的弦长按照产生与有效弦长振动频率谐和的倍频谐波,形成音响的双泛音效果。

1、双泛音音响效果的产生原因

琴弦振动时,所包含的泛音和谐音数以及它们的强度,即发出声音的色彩构成了音色。由于泛音的产生是与基频成整数倍的关系,若使无效振动的弦长产生共鸣就必须使这一部分的弦长与有效弦长成倍数关系。因此,将第1组压弦条设计在与有效弦长成1∶2关系的位置上,即可同时激发出比基频高八度的第一泛音(第二谐音)。将第2组压弦条设计在与有效弦长成1∶3关系的位置上,即可同时激发出比基频高五度的第二泛音(第三谐音)。将第3组压弦条设计在与有效弦长成l∶5关系的位置上,即可同时激发出比基频高三度的第四泛音(第五谐音)。这一系列泛音的产生,无疑更加丰富了高音区的音色。

2、双泛音的结构在立式钢琴中的应用

在三角钢琴的弦列结构设计中,很多品牌钢琴高音区的无效弦长第I部分,都运用了琴弦振动的有效弦长与有效振动频率谐和的倍频谐波之间关系,使这一部分弦振动产生谐音的效果。例如施坦威D系列的大三角钢琴。在立式钢琴的弦列设计中,一般中小型号的钢琴很少使用这种结构装置,因为立式钢琴的高音区的结构条件有限,所以在130以上的大型立式钢琴中应用即可得到满意的音色。哈曼尼的l33型号钢琴就是成功的将这倍频谐音原理运用到了琴弦无效振动的上下两个部分,在码钉与挂弦钉连接的这一段琴弦与有效弦长成1∶1与l∶6之间的过度。这两部分无效弦长的充分利用必将会对高音区的声音产生很大的影响.

三、双泛音结构应用的声学基础理论

琴弦的振动有四种形式:横振动、纵振动、扭转振动、倍频振动。从振动学的角度,通常把音乐声分为“纯音”和“复合音”两大类。通过琴弦振动实验得知,琴弦全段振动的同时,1/2、1/3、l/4等段都在振动(如图4).


;而且每段振动产生的音都是谐音,这些谐音的迭加,合成了乐音。由于琴弦的分段振动,产生的复合音中包括基音和泛音。一般情况下,复合音中的基音比较强,泛音的能量较弱,只有当振动体的质量很重,激发振动体的能量相对较弱(如钢琴的低音弦振动).会产生泛音强于基音的情况。钢琴高音区琴弦振动恰恰相反,琴弦直径相对小。若想在基音产生的同时,能够激发一系列的泛音出现,就会有利于高音区音色的丰富多彩.三角钢琴的高音区泛音结构的设计,就是应用了音乐声学中的琴弦振动的物理现象,琴弦振动频率与有效弦长的比例关系。因此,三角钢琴的高音区音色无论在音量上还是音色上,都能与其他两个音区音色达到统一平衡的关系.

四、哈曼尼(Harmony)立式钢琴高音区音响的双泛音装置

立式钢琴高音区音响的双泛音装置,是bwin官网登录入口厂于2005年获得的中华人民共和国国家知识产权局的一项专利。该装置的设计,是在三角钢琴高音区采用单泛音基础之上的更进一步的创新,使琴弦有效振动发音时,传导上下两段无效振动区域(这两段无效振动区域分别是:三段压线条压在弦枕上方弦上所形成的一段弦.另一段是码钉和下弦枕之间的一段弦)(如图)。


产生与有效弦长振动频率谐和的倍频谐波,形成的是双泛音的音响效果。这种结构装置,在制造加工中,要求压弦条和弦枕的位置具有极高的精确度。因为高音区的基频本身就很高,其第三、第五谐音通常就很难听见,而且声音衰减的也很快,如果两段无效振动区域的琴弦没有达到理论上要求的弦长精度,就很难产生实际的双泛音的音响效果,反而增加了制作工艺的复杂性。

哈曼尼钢琴的真空铸造技术生产的浮雕式图案及编码技术的铁板、镶嵌式铸件弦枕、V型压弦条等专利的使用,尤其是镶嵌式弦枕,在铸铁板上铸出一个凹槽,再镶嵌一根直径仅为2.5毫米的不锈钢条作为弦枕,这样一旦钢琴用久了,弦枕磨损了可以换一根,钢琴的基本尺寸还可以保持不变的.不锈钢条作为弦枕可以保证弦枕与琴弦交点的一致性。从铸出的凹槽来看,必须是很精确的,如果凹槽铸出后变形或者高低不平,那么,弦枕的安装就会出现问题,甚至整个铸铁板都报废的.通过采用不锈铜钱镶嵌在铸件弦枕槽内,实现弦枕面的R度统一,保持与各弦之间的接触点一致,不会因弦枕锈蚀而产生误差。无疑对立式钢琴的高音区采用双泛音结构装置提供了制造加工技术的保障。

结语

立式钢琴高音区双泛音的这种结构的应用,在理论层面上给高音区增加了有效振动频率的谐和程度,在生产实践中也提供了我们向完美音色追求的科学手段,从而形成了钢琴音响的双泛音效果,进而达到丰富钢琴高音区音色的作用。

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