弦槌与音色

2020-02-21 东海雅弦 未知
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钢琴弦槌与音色关系的研究
【内容提要】  弦槌是钢琴击弦机结构中的重要组成部分,是影响钢琴音色的重要因素之一。本文以钢琴发展的历史文化过程为脉络,以钢琴发声的数理为依据,运用科学实验定量分析的方法,通过主观与客观相结合的手段,对弦槌的性能及品质方面进行较全面的分析,为钢琴弦槌的研究及音质分析评价确立了重要理论依据。
【关  键  词】  钢琴  钢琴弦槌  钢琴音色
【内容类别词】  钢琴制造技术理论
音色作为乐器评价的一项重要指标,已经成为选择和鉴定其质量优劣的重要依据。钢琴声音的产生,是由弦槌敲击琴弦,使琴弦产生振动,并通过弦码将振动能量传递给起共鸣作用的音板上,音板的振动在空气中产生疏密的波,发出我们所听到的钢琴的声音。这一系列的振动所产生的能量的传递,首先是由演奏者激发弦槌而引起的,没有弦槌的这一击弦运动,声音无从谈起。世界上许多著名的品牌钢琴,例如斯坦威(Steinway)钢琴用较硬的弦槌激发张力较小的琴弦,它产生的音色特点,低音浑厚无比,中音温暖而宽厚,高音明亮而华丽,尤其中音具有很强的感染力和表现力。与斯坦威并驾齐驱的贝森多夫(Bösendorfer)钢琴是用较软的弦槌击张力较大的琴弦,它产生的音色特点,低音音色清晰而圆润,且不失浑厚,高音区音色甜美而决不带金属声,两种不同品牌的钢琴弦槌的设计,充分体现出钢琴弦槌在影响钢琴音色方面的重要作用。
一、弦槌在钢琴发展历程中的重要作用
钢琴发展到今天,经历了从音乐棒到现代钢琴几百年的历史演变。弦槌的产生,伴随着钢琴的发展而逐步演变至今,是现代钢琴的特征与标志。以钢琴发展的过程来看,其起源应是弦乐器的一种。原始的弦乐器是一个只有一根弦的竹筒音乐棒,后来人们发现不同长度的弦可以发出不同音高的音,由此诞生了多弦琴,后经制作家的不断改进,约在十五世纪初,克拉维卡琴(Clavichord)和羽管键琴(Harpsichord)两种古钢琴相继诞生。它就是现代钢琴的前身。
克拉维卡琴约于15 世纪初诞生在欧洲,16世纪与琉特琴同时盛行。克拉维卡琴是通过铜片或楔槌敲击一组弦,使其振动而发音的。击弦后楔槌仍和弦接触,直到放开琴键,楔槌才能复位,因此,这种发音方式的击弦古钢琴的音量很有限,整个力度范围仅在pp~mp之间
羽管键琴在弹奏时使用拨片拨动琴弦发出声音,这个拨片一开始用鸟类的羽毛管制成,后来鸟类的羽毛管改成了用小块皮革或金属块来做拨片。拨片装在可活动的木舌上,静止时在琴弦下面,当按下琴键时,木舌上的羽管或拨片上升拨弦。
当松开时,木舌上的轴架转动,使拨片绕开琴弦落下。
在羽管键琴上,音量和音色的变化不是用手指触键,而是靠音栓来控制的,所以音量只能作阶梯似的变化,音色较硬、音值较短、长音不能保持,无法实现渐强或渐弱的效果。十八世纪初,意大利人克利斯托弗利(Cristofori,1655—1731),不满足用羽毛拨片拨弦发音,靠音栓来控制音色的羽管键琴。于1709年制作出一架被称为“有轻重变化的古钢琴”(Klavicembalo piano e forte)。这种钢琴的出现,改变了原来的发音方式,由鹿皮包制的弦槌击弦取代了拨片拨弦的发音方式(如图)。1826年英国钢琴制作师亨利•帕普又创用了毛毡包裹木芯的弦槌,使弦槌击弦发出的声音更柔和、圆润。正是弦槌的出现,改变了在羽管键琴键上,即使施加再大的力量,也只能达到拨动一下琴弦的效果。在他发明出弦槌及击弦机后,就不仅诞生了钢琴,而且也注定了羽管键琴的末日。弦槌的击弦振动代替了拨片拨弦振动,使弦槌成为现代钢琴的标志。
二、钢琴弦槌质量及性能的研究
钢琴的良好音质50%决定于音源,25%在于弦槌。当然,要用任何资料来估计这些因素的主次是困难的。但是毫无疑问,弦槌是影响钢琴音色的一个很重要的因素,与弦列及音板共同决定着钢琴的音质。
弦槌在钢琴发展历程中起到如此重要的作用,它的结构、性能等因素势必对钢琴音色的形成具有一定的影响。在现代钢琴形成之前的弦槌,是用鹿皮包裹着木芯制成的。用这种弦槌敲击琴弦演奏时,虽然具有一定弹性,但音量并不能满足演奏者要求。在以后钢琴的不断改进与发展中用羊毛毡代替了鹿皮,用适度增大体积与重量的弦槌代替了小规格的旧式样。现代钢琴上的毛毡弦槌,每个的大小都不一样,从低音槌到高音槌系由大到小逐渐变化的。通过研究得出:弦槌的质量、弹性、击弦历时是体现弦槌性能的重要条件,被称为影响钢琴音色的三要素。
1、弦槌的质量 
弦槌在正常运动时,弦槌质量越大,琴弦获得的能量越大,琴弦振动所产生的声音的音量越大。但是,如果弦槌质量过大,会导致击弦机的工作阻力增大,在弹琴的时候会感到琴键沉重、费力,并且也会因之而造成弦槌击弦历时增长,抑制住琴弦的部分振动,使响度不足及音色变坏。如果弦槌的质量太小,击弦时会因琴弦所获得的能量不足而使振动状态不良(主要是琴弦振幅太小),而影响音量。在钢琴弦列中,由于低音弦粗且长,若想使它有良好的振动状态,就要使它获得比较大的激发能量。如上所述,适当的增加弦槌质量,是解决这个问题的较好办法。而高音琴弦细且短,要想使其有较好的振动状态,质量较小的弦槌更适合。弦槌的质量,从低音到高音是逐渐递次减小的,最低音(第一弦)弦槌的质量最大,最高音(第88弦)弦槌质量减至最小。一般认为,立式钢琴的弦槌质量,低音最大的为12克重,高音最小的为5克重,比较恰当;大型三角钢琴由于低音琴弦更粗、更长,用以激发这种琴弦的弦槌质量最大可增加到15克重。
在现代三角钢琴和立式钢琴中,对于小槌质量的选择是如此精确,并且这是用经验估计出来的,而不是靠理论计算出来的。在所有的三角钢琴和立式钢琴中,小槌质量变化的范围是从低音区的12克到高音区的5克。演奏会用三角钢琴的低音较粗重,低音槌的质量加大到15克。
如果做一系列的计算来确定低音区小槌质量,计算中考虑到最有利于音的声谱和响度能量的发射,那么计算的结果显示出小槌质量也应该是12到15克。
弦槌是通过击弦机的正常运动,敲击琴弦使琴弦振动发音的部件。弦槌在击弦运动过程中,弦槌的质量越大击弦时所具有的动能就越大,但质量的增加会使键盘的惯性阻力加大,使演奏者感到键子沉重,不利于快速演奏;但弦槌的质量也不能太小,质量小了虽然惯性阻力小,但击弦力度也随之降低,即不能满足演奏者的要求,同样也会影响钢琴的音色。因此,弦槌的质量应在一定的范围内变化(一般型号为120左右的立式钢琴,弦槌的最大质量12克,最小的6克,7尺以上的三角钢琴最大15克,最小5克,而STAINWAY九尺三角钢琴弦槌质量为6—17克)。弦槌在正常运动时,弦槌质量与琴弦获得的能量成正比,即弦槌质量越大,琴弦获得的能量越大,琴弦振动所产生的音量越大。因此,在弦槌的设计中,应遵循较大的钢琴,即琴弦较长/较粗(与较小的钢琴比较而言),其弦槌应使用质量较大的。另外,要使低音区较粗的琴弦产生振动,必须要有较大的能量,这就只能靠增加弦槌的质量来获得。琴弦越粗,张力越大,其波阻抗也越大,因此所需弦槌的质量就必须使用较大的弦槌与琴弦相适应。
从提高键盘机械有效系数的观点来看,增加小槌质量也是有利的。如果小槌的质量不比键盘机械其它活动的组合件的质量大,那么,弹奏者的能量在很大程度上将耗费于这些组合件的运动中,而留给小槌部分的能量就不多,因此,增加小槌质量就会提高键盘的惯性阻力。要使沉重的小槌运动起来,就得耗费较大的力。键盘机械就变得重了。键盘机械的有效系数可用小槌的质量对整个键盘机械质量的比例来表示。
增加小槌质量必然会引起小槌与弦击触历时的加长,就会引起音质显著变坏。如果击弦历时长于弦的周期,那么小槌就将压制住弦的部分振动,音的响度因此而降低,音色也将变坏。所以小槌的质量最好还不尽可能的小些。在弦槌质量小的情况下,可用增加弦槌运动速度的办法,即加长槌柄的办法,来保证必要的能量储备。但是这样会引起槌柄挠性大大的增加。随着柄长的增加,它的挠性将成三次幂增加,与此同时,弦槌的能量却成二次幂增加,而导致弦槌将颤抖不适于弹奏要求。因此,弦槌质量应该有一个平均的最适宜的值,来综合两方面的要求。

2、弦槌质量与波阻抗的关系
按照弦列的尺度,小槌质量的分配是以弦波阻抗的值为依据。在中音区,弦的波阻抗从低音到高音逐渐变弱。小槌质量也应该随着变化。因为波阻抗决定于弦直径、材料密度及张力,密度和张力在裸弦上实际都是常数,所以从实质上说,中音区小槌质量的变化应该与弦直径成正比例。
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但是,大致从第70号同音弦组开始,小槌质量应该比弦的直径的变化要快的多,以为在这里保持这个比例,就会导致最高音区边上小槌的质量大为超过击弦历时所允许的值。这里就应该按击弦历时来计算小槌的质量,实际化成数值就是5到6克。
弦槌是通过击弦机的正常运动,敲击琴弦使琴弦振动发音的部件。弦槌在击弦运动过程中,弦槌的质量越大击弦时所具有的动能就越大,但质量的增加会使键盘的惯性阻力加大,使演奏者感到键子沉重,不利于快速演奏;但弦槌的质量也不能太小,质量小了虽然惯性阻力小,但击弦力度也随之降低,即不能满足演奏者的要求,同样也会影响钢琴的音色。因此,弦槌的质量应在一定的范围内变化。应遵循较大的钢琴,即琴弦较长较粗(比较小的钢琴),其弦槌应使用较大的。另外,要使低音区较粗的琴弦产生振动,必须要有较大的能量,这就只能靠增加弦槌的质量来获得。琴弦越粗,张力越大,其波阻抗也越大,因此所需弦槌的质量就必须与琴弦相适应。即:在不同音区的同音弦组中,弦槌的质量从低音区到高音区逐渐减小。3、弦槌的弹性与击弦历时的关系
增加弦槌的质量,可以改变弦槌的动能,既是增加弦槌的运动速度。然而弦槌的质量不能无限的加大,只能通过改变弦槌的弹性来实现。弦槌的弹性是由弦槌毛毡的密度决定的,密度高的弦槌比较硬,弦槌的弹性比较好,在质量不能随意加大或减小的情况下,为了使钢琴获得满意的音色,就要增加弦槌的弹性。钢琴的低音区发音应浑厚,高音区应明亮,所以低音弦槌的槌毡硬度要比高音槌毡的硬度值略低一些。从低音区到高音区的每一个弦槌的硬度应是均匀递增的。低音槌毡密度为0、4g/cm3,高音槌毡密度为0、8g/cm3,反映在弦槌制成品上的硬度为:低音在82度,高音在92度。按照上述经验制定钢琴弦槌与槌毡的相关技术标准,这样的弦槌才能使声音在不同的音区均匀的过渡,从而获得满意的音色。
通过对弦槌质量与弹性的分析得出,弦槌的击弦历时在很大程度上影响钢琴的音色。击弦历时指的钢琴槌击弦时与弦接触的时间。这种槌击接触的时间长短以及与之相联系的强弱、快慢、深浅等不同的变化形成了不同的音量与音色。因此与各个不同音区弦列相适应的弦槌质量、弹性、硬度是保证击弦历时的关键。尤其在低音区弦槌缺乏弹性就难以保证浑厚坚实的音色。只有当弦槌有一定的柔软度和弹性才能延长击弦历时,从而强化第一谐音,抑制高次谐音,达到满意效果。反之,在高音区要达到清澈透明,要求高次谐音有一定的强度,相应的弦槌必须减小质量,增加硬度,便于击弦历时缩短,高频谐音能充分释放。对于最重要的中音区,既要求柔美纯净,明亮清晰,又要求有一定力度和厚度,有较好的歌唱性和持久性,弦槌也就相应的要求软中带硬,即表面柔软,里层坚实,击弦历时能灵敏的随弹奏手法的变化而在力度、声音上产生富于表情的变化,以表现钢琴艺术的无穷魅力。
美国钢琴技师Rick Baldassin通过实验得出:“优质钢琴的击弦历时,在高音区应该是0.3毫秒,在低音区则为3毫秒。如果超出这个范围,在高音区的音色即会暗淡而且没有穿透力。在低音区的音色则会出现混沌没有层次感” 三、钢琴弦槌品质分析
通过上述对弦槌质量、弹性与击弦历时等方面的分析,可以看出所有影响钢琴音色的因素都与弦槌的品质有关,在生产制造钢琴过程中,要了解弦槌品质的优劣,则需采用有效的检测方法,对弦槌的运动速度及其声音品质的分析,来判定弦槌品质的优劣。

1、弦槌的运动速度与钢琴音量 
钢琴声音的产生是通过演奏者的手指使弦槌获得一定的能量所发出的。通过弦槌击弦所产生的动能总量与弦槌的速度、质量关系式E=1/2MV2可看出,弦槌所获得的能量与弦槌的质量和运动速度成正比。当我们对调整完毕的击弦机进行检测时发现,键子弹下去后,弦槌会立刻运动起来,这种情况下钢琴最大音量的潜能,被弦槌击弦所产生的可能得到的能量所限制,根据上述关系式,演奏者有能力改变键子能量输入的大小,当演奏者以快速而有力的方式击键时,弦槌的速度也相应的增加(因弦槌和槌柄的质量一定),声音能量的输出也相应的加大。因此,在理论上由于演奏者使用足够大的力量和速度,应该得到最大的音量。但身体和手臂的速度有物理上的局限性,无论演奏者对键子输入再多的能量,钢琴音量的输出也只能达到一定的限度。通过对一架三角钢琴的实验,当键子以0.1m/s――0.2m/s之间的有效速度将弦槌击到琴弦上时,由于顶杆推动凸轮时产生断联,弦槌不能获得足够的加速度,只有当弦槌以2. 0m/s而达到5m/s―6m/s运动速度时,弦槌才能获得足够的加速度,演奏者可以在这个范围内以不同的速度和力度,有效的控制钢琴的音量来达到演奏者的要求。
每架钢琴的击弦机的能量都具有一定的极限,正是因为这个击弦机的极限,使演奏者的手指不能完全通过键子进行能量的输入,来促进弦槌的快速运动。因此,若改变钢琴的音量,还应该通过音板及弦列等方面进行改进,而达到完善钢琴音质的目的。
2、弦槌的声学品质分析
通过对上述问题的分析得出,弦槌是钢琴结构中的重要部件。弦槌质量的优劣直接关系到钢琴的声音好坏,一台钢琴装上质量优良的弦槌,声音就有了一半的保障。对于如何从音色上评价一台钢琴优劣,首先钢琴必须具备一定的音量级,音乐家使用的音量级是从最弱音到最强音,有七个级,每进一级响一倍.,这种音量级大约每一级增强5分贝,因此三角钢琴响度的变化从ppp到fff月为30分贝。第二、声音具有一定的清晰度,既是琴弦在强烈振动时高次谐音不能脱离理想的频率,失谐程度很低。第三、钢琴发音具有一定的持久性,钢琴发音的持久性基本上决定于弦的衰减率极其音板的机械阻力。当小槌敲击琴弦而引起弦的偏移时,如果弦的波阻抗很大,那么弦难于受振动,并且声音衰减的很快。如果弦的波阻抗太小,那么当小槌敲击时会强烈的把弦弯曲,这时在弦内所发生的附加张力将影响音的清晰度。