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秦敏靜教授在《樂器》撰文闡述 立式鋼琴高音區雙泛音結構的理論與應用的重要作用
2012-05-10
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鋼琴的發展已日趨完美，但許多鋼琴廠家仍不斷的在完美中求創新，想方設法的設計制造出屬于自己獨特音色的鋼琴。鋼琴高音區的音色，一直以來都是鋼琴制造者們追求的目標。本文論述的立式鋼琴雙泛音的結構裝置，既是通過福州和聲鋼琴廠哈曼尼133型號鋼琴的研究，闡述一種能夠利用琴弦的有效弦長與倍頻關系聲學原理，使立式鋼琴的高音區采用雙泛音結構裝置的琴弦，在振動發音時，除了有效振動之外的不工作的兩部分產生與有效振動頻率諧和的倍頻諧波，形成音響的雙泛音效果，使高音區達到清澈、柔美且具有穿透力的音色。
將琴弦的無效弦長振動部分進行有效的利用．體現在很多三角鋼琴的高音區弦列設計上。這一項專利的發明，早在19世紀的后半葉，就被施坦威D系列的九尺大鋼琴所采用（如圖1）。施坦威的高音區弦列的設計，采用的是單泛音的結構形式．即是將碼釘到掛弦釘這一無效振動部分，在每組琴弦通過的地方放置一個弦枕，這個弦枕的位置恰好是使弦枕到碼釘的弦長等于有效弦長的1/2處，有效弦長振動的傳導，使得這一部分無效弦長產生了諧音，從而達到豐富了高音區的音色的目的。這項專利的發明，在現代立式鋼琴的生產中得到了充分的利用。
一、立式鋼琴高音區琴弦連接的結構形式
弦列設計是鋼琴設計的最基本問題。在任何一架鋼琴上，琴弦的連接形式都是起始于弦軸，經過弦枕，在弦碼處經過一個曲折角后，繞在鐵支架上的掛弦釘上，再以相同的方式逆回到另一個弦軸上結束（如圖2）．
弦列設計中的弦長計算，是指琴弦的有效振動部分，而不是琴弦的全部長度。在整條琴弦連接的過程中，按其在振動中所起到的作用,被劃分成兩個部分，即琴弦振動的有效工作部分和無效工作部分。琴弦的有效工作部分是指從弦枕到碼釘之間的這一段有效弦長（如圖2中的Ⅱ部分），它是按照一定頻率的振動發音，并決定著聲音的高低。琴弦的無效工作部分是指從弦枕到弦軸、碼釘到掛弦釘處的兩段無效弦長（如圖2中的I、III兩部分），它不參與琴弦的振動。無效弦長在琴弦的連接過程中的作用是用來固定連接有效弦長的兩段琴弦．在現代鋼琴設計師們的設計中，為了更加豐富高音區的音色，他們把不參與琴弦振動工作的無效弦長進行充分的有效利用，通過確定弦枕的有效位置來使原本不振動的弦長，按照形成倍頻音的弦長比例進行設計，使其產生與有效振動頻率諧和的倍頻諧波，形成音響雙泛音的效果，進而達到使高音區的音色更加豐富的聲音品質。
二、高音區琴弦雙泛音結構的特征
雙泛音結構是由鐵支架、弦軸、琴弦、碼釘、壓線條、（上、下）弦枕和鐵支架上的掛弦釘構成的（圖3）。普通的壓弦條和弦枕將（圖2）中的和I、Ⅲ區域兩段弦為琴弦的無效振動弦長，Ⅱ區域為琴弦的有效振動弦長。采用了雙泛音結構后的三段壓弦條和弦枕，將無效振動的弦長按照產生與有效弦長振動頻率諧和的倍頻諧波，形成音響的雙泛音效果。
1、雙泛音音響效果的產生原因
琴弦振動時，所包含的泛音和諧音數以及它們的強度，即發出聲音的色彩構成了音色。由于泛音的產生是與基頻成整數倍的關系，若使無效振動的弦長產生共鳴就必須使這一部分的弦長與有效弦長成倍數關系。因此，將第1組壓弦條設計在與有效弦長成1∶2關系的位置上，即可同時激發出比基頻高八度的第一泛音（第二諧音）。將第2組壓弦條設計在與有效弦長成1∶3關系的位置上，即可同時激發出比基頻高五度的第二泛音（第三諧音）。將第3組壓弦條設計在與有效弦長成l∶5關系的位置上，即可同時激發出比基頻高三度的第四泛音（第五諧音）。這一系列泛音的產生，無疑更加豐富了高音區的音色。
2、雙泛音的結構在立式鋼琴中的應用
在三角鋼琴的弦列結構設計中，很多品牌鋼琴高音區的無效弦長第I部分，都運用了琴弦振動的有效弦長與有效振動頻率諧和的倍頻諧波之間關系，使這一部分弦振動產生諧音的效果。例如施坦威D系列的大三角鋼琴。在立式鋼琴的弦列設計中，一般中小型號的鋼琴很少使用這種結構裝置，因為立式鋼琴的高音區的結構條件有限，所以在130以上的大型立式鋼琴中應用即可得到滿意的音色。哈曼尼的l33型號鋼琴就是成功的將這倍頻諧音原理運用到了琴弦無效振動的上下兩個部分，在碼釘與掛弦釘連接的這一段琴弦與有效弦長成1∶1與l∶6之間的過度。這兩部分無效弦長的充分利用必將會對高音區的聲音產生很大的影響．
三、雙泛音結構應用的聲學基礎理論
琴弦的振動有四種形式：橫振動、縱振動、扭轉振動、倍頻振動。從振動學的角度，通常把音樂聲分為“純音”和“復合音”兩大類。通過琴弦振動實驗得知，琴弦全段振動的同時，1/2、1/3、l/4等段都在振動（如圖4）．
;而且每段振動產生的音都是諧音，這些諧音的迭加，合成了樂音。由于琴弦的分段振動，產生的復合音中包括基音和泛音。一般情況下，復合音中的基音比較強，泛音的能量較弱，只有當振動體的質量很重，激發振動體的能量相對較弱（如鋼琴的低音弦振動）．會產生泛音強于基音的情況。鋼琴高音區琴弦振動恰恰相反，琴弦直徑相對小。若想在基音產生的同時，能夠激發一系列的泛音出現，就會有利于高音區音色的豐富多彩．三角鋼琴的高音區泛音結構的設計，就是應用了音樂聲學中的琴弦振動的物理現象，琴弦振動頻率與有效弦長的比例關系。因此，三角鋼琴的高音區音色無論在音量上還是音色上，都能與其他兩個音區音色達到統一平衡的關系．
四、哈曼尼(Harmony)立式鋼琴高音區音響的雙泛音裝置
立式鋼琴高音區音響的雙泛音裝置，是和聲鋼琴廠于2005年獲得的中華人民共和國國家知識產權局的一項專利。該裝置的設計，是在三角鋼琴高音區采用單泛音基礎之上的更進一步的創新，使琴弦有效振動發音時，傳導上下兩段無效振動區域(這兩段無效振動區域分別是：三段壓線條壓在弦枕上方弦上所形成的一段弦．另一段是碼釘和下弦枕之間的一段弦）（如圖）。
產生與有效弦長振動頻率諧和的倍頻諧波，形成的是雙泛音的音響效果。這種結構裝置，在制造加工中，要求壓弦條和弦枕的位置具有極高的精確度。因為高音區的基頻本身就很高，其第三、第五諧音通常就很難聽見，而且聲音衰減的也很快，如果兩段無效振動區域的琴弦沒有達到理論上要求的弦長精度，就很難產生實際的雙泛音的音響效果，反而增加了制作工藝的復雜性。
哈曼尼鋼琴的真空鑄造技術生產的浮雕式圖案及編碼技術的鐵板、鑲嵌式鑄件弦枕、V型壓弦條等專利的使用，尤其是鑲嵌式弦枕，在鑄鐵板上鑄出一個凹槽，再鑲嵌一根直徑僅為2.5毫米的不銹鋼條作為弦枕，這樣一旦鋼琴用久了，弦枕磨損了可以換一根，鋼琴的基本尺寸還可以保持不變的．不銹鋼條作為弦枕可以保證弦枕與琴弦交點的一致性。從鑄出的凹槽來看，必須是很精確的，如果凹槽鑄出后變形或者高低不平，那么，弦枕的安裝就會出現問題，甚至整個鑄鐵板都報廢的．通過采用不銹銅錢鑲嵌在鑄件弦枕槽內，實現弦枕面的R度統一，保持與各弦之間的接觸點一致，不會因弦枕銹蝕而產生誤差。無疑對立式鋼琴的高音區采用雙泛音結構裝置提供了制造加工技術的保障。
結語
立式鋼琴高音區雙泛音的這種結構的應用，在理論層面上給高音區增加了有效振動頻率的諧和程度，在生產實踐中也提供了我們向完美音色追求的科學手段，從而形成了鋼琴音響的雙泛音效果，進而達到豐富鋼琴高音區音色的作用。
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