《乐器声学原理探析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《乐器声学原理探析（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、乐器声学原理探析最早的“音响”“狼音” & “松香味”串联共鸣（埙）锥形钟乐器产生与发展于人类劳动创造的过程中，是人类精神文化生活需求的产物是最早的“音响” 。今天，我们通过现代音响设备所聆听的，很大一部份内容仍然与各种乐器有关尤其是古典音乐。音响与乐器无论是在科学上，还是在艺术上都是相通的。探索乐器的发声原理对于音响的研究与发展有着重要的借鉴意义， 同时也有助于我们更好地领悟与欣赏音乐。乐器声学原理探析之弦乐器篇弦/膜/板振动的驻波实质上都是“并联共振” 。弦乐器共鸣箱可产生“波导”驻波（/2 共振，/4 共振） ，也可形成“亥姆霍茨共鸣器” （有音孔）前者为“分布参数系统振动/并联共鸣”
2、（同管乐器） ，后者为“集中参数系统振动/串联共鸣” 。实际上，二胡并非“活塞式振动” 二胡为膜振动，产生横波。虽然振幅比板振动（如板胡）大，接近“活塞式振动” （尤其低频时） ，但同板振动一样都属于“分布参数系统”振动，产生“并联共振” ，即驻波而“活塞式振动” （如弹簧振子 ）则是“集中参数系统”振动，产生“串联共振” 。弦乐器共鸣腔驻波并非整体性的空气柱“/4 共振”两侧封闭端至中间音孔分别形成“/4 共振” ，但可形成整体性的“/2 共振” （音孔处为波腹）而整个共鸣腔与音孔又可形成“亥姆霍茨共鸣器” 。音 孔如小提琴共鸣腔驻波共振 f0并非为 250Hz（L=340mm，/4 共振）
3、从频谱图可以看出，其共振峰从 400-500Hz 开始294Hz 则是“亥姆霍茨共鸣器”共鸣频率。小提琴两个 f 孔处宽度方向可形成“/2 共振” （开管）厚度方向则可形成“/4 共振” 。弦振动为“偶极子”型横波形成偶极子相邻的“端射阵” ；各波峰/波谷前后方向又形成偶极子， 最大辐射方向与前者相反故弦的辐射声功率， 一般作为 “传导器” 耦合板/膜振动，以。弦振动只有形成驻波时才能横向为“同相小球源” ，/指向性；纵向可形成“线列阵” ，但指向性 。所谓“松香味”实际上就是松香足摩擦系数，可以产生丰富的谐波低次谐波可质感；高次谐波（泛音）能够使声音细腻，清晰度；偶次谐波可以使声音更动听。驻
4、波与声辐射弦/膜/板共振形成驻波时为“对称性振动/同相辐射” 。横波 （2） 同时向外压缩空气声压 P/振速 V 达到最大值时， 振幅 A 为最小值 （此时辐射阻 Rr 最大） ；声压 P/振速 V 为最小值时，振幅 A 达到最大值然后上下交替，周而复始。弦/膜/板驻波“对称性振动”实际上似乎不可能介质“分身乏术” ；若“分身有术” ，则振幅不会很大尤其介质材料的弹性模量比较大时。“分身有术”弦/膜/板振动横波的驻波，类似于板中纵波（S 型兰姆波） ，都是介质上下表面质点作“椭圆偏振”但前者为横波，振动方向与声辐射方向相同，波速 u=0（驻波） ，振速 v，故其能流密度I，辐射声功率；而后者为
5、纵波，振动方向与波传播方向（纵向）相同，而与声辐射方向（横向）垂直，波速 u，但能流密度主要为纵向， “椭圆偏振”为泊松效应引起的横向振动，故模态密度，一般不会产生声辐射。一般资料上所述“弦驻波” ，都是单一横波交替上下振动，但这又不符合“驻波”定义 故有待进一步探讨。薄板弯曲波模态密度大的条件密度小/刚度大。桐木板完全满足上述条件故中国传统弦乐器大多以其为音板，如古琴/筝/阮/琵琶等。桐木质轻软/不变形 ，具有优秀的声学品质；透声性好，毛孔大被称为“会呼吸的木材” 。桐木的声导纳 （透射系数） ，即使共鸣腔为封闭结构，内部共鸣声波也能够传播出来封闭结构共鸣腔主要为“/2 共振” （两端波节）
6、 ，厚度方向则可形成“/4 共振”桐木音板处为波腹。一直以为古筝/琵琶的共鸣腔为封闭结构其实古筝的音孔 （3） 在底板上， 而琵琶的音孔 （1）在“覆手”下面都是“藏而不露” 。琵琶音孔面积小，共鸣腔内部声音反射 ，混响过度故音色“粗犷” 。古筝音孔面积大小恰当，混响适度故其音质清澈，又具有一定“弹性” （余音缭绕） 。电声弦乐器（如电吉他/电小提琴/电古琴）拾音器直接将琴弦的机械振动转换为电信号，通过放大器/音箱发声无需共鸣箱，音色更丰富（可通过“调节器”调节） 。拾音器（Pickup）是一个电磁感应的信号转换装置，与麦克风（MIC）不同与声波的空气振动无关。“真正意义上的弦鸣乐器”电声弦乐
7、器主要为“弦振动” ，与传统弦乐器不同（ “弦振动”耦合“板振动”/“膜振动” ）虽然不同材料的琴体“板振动”也会对音色产生影响。“弦振动”主要产生“奇次/偶次谐波” （谐波频率与基频成整数倍关系）而 “板振动”/“膜振动”/主要产生“间谐波” （谐波频率与基频不成整数倍关系） 。偶次谐波可以构成“谐和音程”而奇次谐波/“间谐波”声音都不和谐（后者更甚）声音和谐性：偶次谐波奇次谐波间谐波。当弦振动产生的奇次谐波与板振动/膜振动的次间谐波/间谐波发生共振时会导致“狼音” ，使声音不和谐而前者产生的偶次谐波与后者次间谐波/间谐波共振时，则可降低不和谐性，使声音动听（松香味） 。从某种意义上演奏弦乐
8、器的过程就是“偶次谐波/间谐波”的过程，演奏者通过长期练习不但提高音准/节奏/旋律等方面的素养，还要使音乐更“动听” 。演奏家与演奏者的一个重要区别就是演奏家会有一种“本能” （技巧） ，通过运弓/指法的某种直觉“狼音”/“松香味” 。相对于传统弦乐器，电声弦乐器更容易使声音和谐动听可以有效防止“狼音” ，“松香味” “间谐波失真” （IHD/SIHD） 。但是电 声弦乐器易 受电磁辐射 的干扰（尤 其单线圈拾 音器） EMI 会导致 “间谐波 失真”（IHD/SIHD） 双线圈拾音器（HUMBUCKING）则可EMI 的影响。电源污染也会拾音器的“间谐波失真” （IHD/SIHD）EMI/电
9、源污染等都会导致放大器的间谐波/次谐波使音质劣化，音色不和谐。乐器声学原理探析之膜鸣乐器篇双面鼓双面鼓被击打的一面鼓膜可视为“主动辐射膜”（AR）另一面鼓膜可视为“无源辐射膜”（PR） 。若 AR 与 PR 材料/面积/厚度/张力等完全相同时，可同时发生共振（共振频率 fOD）相当于 2个“并联共振”之串联，可构成“四阶高通声学滤波器”（24dB/oct，360）AR 与 PR 为“对称性振动/同相辐射”。AR 与 PR 可与鼓腔 C0形成“亥姆霍茨共鸣器”（ 共振频率 fOB）两面鼓膜为不透气材料，具有一定质量，相当于倒相管内空气柱 M0，类似于“膜振动型吸声结构”AR 与 PR 也是“对称
10、性振动/同相辐射”。AR 与 PR 可形成“耦合振动”（ fOD/fOB之外）AR 与 PR 振幅交替由大到小 （此消彼长） ，为“同相振动”而 fOD/fOB共振时，AR 与 PR 振幅同时由大到小，为“反相振动”。双面鼓/三弦封闭共鸣腔“空气弹簧”劲度/压强 P ，声阻抗 Za （Zav ，）内部空气 Za ，与振膜 Za 差异 （匹配性） ，则声反射， 声导纳 ，声能传导，PR 的辐射声功率 。若双面鼓/三弦两侧振膜面积 S 不同，S （PR）/S （AR） ，则更易驱动“耦合振动”类似于听诊器，具有放大作用F=P1S1=P2S2。“耦合振动”AR 与 PR 振动相位相差 90，辐射声波
11、相位相差 90/270，故不会形成“偶极子”，导致声短路。乐器声学原理探析之管乐器篇一般管乐器发声原理并非“亥姆霍茨共鸣器”，而是驻波（波导）实质为“并联共鸣”，而前者为“串联共鸣”。管乐器驻波可视为管内空气柱声质量 Ma 与声顺 Ca 的“并联共鸣”。埙 是一种特别的管乐器。一般管乐器主要为“并联共鸣”（驻波）而埙主要为“串联共鸣”（亥姆霍茨共鸣器） 。倒相音箱只是单一共鸣频率而埙则有多个共鸣频率，并将其按一定音程排列，能够演奏出各种曲调 （类似于陶笛） ， 埙相当于“一腔多管”亥姆霍茨共鸣器笛箫等“开管”则无法形成亥姆霍茨共鸣器。埙音孔全封住时，可形成“闭管”（/4 共振） ，为“并联共鸣
12、”同吹瓶。驻波与声辐射同为“并联共振”管乐器空气柱驻波形成声波辐射，与弦/膜/板共振驻波形成辐射不同前者为纵波/气体/振幅大；后者为横波/固体/振幅小但两者都是“对称性振动/同相辐射”。管口“波腹”形成驻波的两列波振速 V 交替达到最大值，向外振动/形成声波辐射与“弦驻波”不同（双向辐射） ，“管驻波”两列波交替向外辐射（单向） 。实际上管乐器声管内气流速度达一般不到声速 C0，即 Ma1，故 S/v（流体“连续性方程”） 。S，则管径 d；v，则 p （能量方程）故 d/v/p。单簧管为筒形“哨口”，则 d/v/p故为波节，形成“闭管”；双簧管为细长“吹口”，则 d/v/p故为波腹，形成“开
13、管”。管乐器发声并非管内“驻波”的声音而是管口空气被激励的结果，管内形成驻波的并非声波（Ma1） ，而是气流振动的机械波虽然声波可在波导管内传播。乐器声学原理探析之体鸣乐器篇三角铁 三角铁为“棒振动”可产生弯曲波压缩波，后者可形成“端辐射” 。面外弯曲波可产生“/2 驻波共振” （两端波腹） 。三角铁若无缺口，则可产生“环形驻波”但共振频率 f0 低频响应。棒围合起来环形比直线辐射能量更集中， 模态密度。Rr （相当于 面积 S） ，则拐角处压缩波会发生相位突变，而“旋转”为弯曲波。钟 钟为“壳振动” ，类似于“鱼洗”既有“环形驻波” （共振） ，也有纵向驻波（/共振）共鸣腔空气柱可形成“波导”共鸣（/共振） 。钟可产生“柱面波” ；钟口压缩波可形成“端辐射”压缩波与声波（同为纵波）直接耦合，形成声辐射。 “自由端反射”使振幅 ，声功率。圆钟相对于扁钟，瞬态响应，但更悠扬。“锥形钟”钟可采用圆锥结构（周长渐变） ；若采用不同周长，则为“塔形钟”由于“环形驻波” （共振）的 f0不同，若按一定音程设置 f0，则可形成音阶而演奏乐曲音调比编钟更丰富，单一钟相当于多个大小不同的编钟组合不知是否已经存在这种乐器？
