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1、乐器纵横一一振动物体我国著名的物理学史专家吴南薰先生在30年代曾经有过一个精辟的论点： 历史上第一件乐器，即在兽骨上打几个孔，成为一支人工制造的笛子，这也是历 史上第一件物理仪器。目前已知最古老的乐器，是一支出土于德国的3.6万年前 的骨笛。我国商代时就有了钟、磐、壕（读xun）、缶（读fou）、（读tao），铃、铎、 钲（读zheng）、铙（读nao） 龠（读yue，小笙）、言（大箫）等十几种乐器。在周 代，乐器已发展到八十多种，可分为金、石、王、革、丝、土、匏（读pao）、竹 八类。有所谓“八音齐奏”，这八音实际是八种制作乐器的材料。现在的乐器种类较多。从地域、风格上分，有西洋乐器和民族乐
2、器；从乐队 组成上分，有管乐、弦乐和延持力短促的乐器；从音域上分，有高音乐器，中音 乐器和低曰乐器等等。从物理的角度看，即从发声的物理机制来看，乐器可分为四大类。提琴、钢 琴、胡琴、琵琶等是靠弦线振动发声而且决定音调的，称为弦乐器；长笛、黑管、 竹笛、箫以及各种号等是利用空气柱振动发声而且决定音调的，称为管乐器；风 琴、手风琴、口琴等是利用簧片振动发声而且决定音调的，称为簧乐器；锣、鼓、 钟、碰铃、木鱼、钢片琴等是靠打击膜板振动发声的，称为膜板乐器。这些将在 下面分别专谈。（1）弦的振动用弦振动发声并且决定音调的乐器，叫做弦乐器。弦乐器因其演奏方式不同 可分为三类：一是拉弦，如胡琴、小提琴等；
3、二是击弦，如扬琴、钢琴等；三是 拨弦，如琵琶、吉它等。弦的振动可以发出丰富多彩、复杂多样的乐音。我国唐代著名诗人白居易在 琵琶行中曾描述：“大弦嘈嘈如急雨，小弦切切如私语。嘈嘈切切错杂弹， 大珠小珠落玉盘”。初中音乐课欣赏资料琵琶独奏曲十面埋伏，产生于明、清 时代，描述我国历史上楚汉相争、刘邦和项羽在垓下决战的情景。就靠四根弦的 振动，模拟出强烈而雄壮的鼓声、军号声、马蹄声等古代战争中的典型音响，生 动地展现了古战场上军营如林、旌旗蔽空、战鼓隆隆、铁骑驰骋的壮阔画面。而小提琴则更是表现力丰富的乐器，在各国音乐家的手中，塑造着爱神、魔 鬼、天鹅、公主、流浪儿、女巫等多种形象，表现出梦幻、哀鸣、婚
4、礼、逃亡、 温柔、幽怨、激愤、狂舞等多种情绪和场面。那么，弦振动与发音有着什么样的关系呢?我们从物理学的角度来讨论一下。 音调与弦线张力的关系。我们在调弦定音时知道，弦线绷得越紧，即弦的 张力越大，则振动时发声的音调就越高，即振动频率越高；反之，把弦线放松， 弦振动时发声的音调就越低，即振动频率越低。 音调与弦线粗细的关系。从小提琴和琵琶的四根弦可以知道，弦线越细， 即单位长度上的质量越小，则发声的音调越高；反之，弦线越粗，则发声的音调 越低。为了发出音调很低的音，常在弦线上再绕以细丝，俗称缠弦，以增加它的 质量，使它振动缓慢，降低频率。 音调与弦的长短的关系。拉胡琴时，一只手拉弓，另一只手的
5、手指按弦，并沿着弦上下移动，越往下移，即弦线振动的部分越短，发声的音调便越高。可 见发声的频率，与振动弦的长短有关。振动弦越长，发声频f 率越低；振动弦越短，发声频率越高。你可试一试，拉空弦，即让弦线的全部长度振动，如果-这时发出“ 1”音（图2-11）那么，按弦的手指往下移动弦长的“1，-1/3再按往，使下面整个弦长的2/3振动，便会发出“5”音，一侦频率是“ 1”音的3/2；按弦的手指按在全弦的中点，使弦线 “片 的一半振动，便会发出“i”音，频率是“ 1”音的2倍。进 I 一步实验表明，要想发出频率是“ 1”音频率的n倍的声音，图只须使整个弦长的1/n振动。由此可知，振动弦的长度和发声频
6、率成反比。 音色与弦振动的关系。两端固定的弦的振动，除 了整段振动外，还会作分段振动，如图2-12分为2、3、 4段，所发声音的频率分别为整段弦振动频率的2、 3、4倍。因此，弦在振动时，不仅发出一定音调的 基音，还同时发出许多泛音（倍音）。泛音越丰富，声音 CZXOCZXO d 就 L 越美.国2弹拨弦或以弓擦弦的轻重不同，以及乐器的外壳装 置不同，发出的泛音都会不同；弹拨或以弓擦弦的部位不同，发出的泛音也会不 同。大约弹拨或以弓擦在弦的1/8处，发出的泛音最丰富，弹琴或拉琴时要注意 到这一点。弹奏钢琴键盘时，通过杠杆的作用，牵动一小锤击打钢弦，击弦部位 正好在离弦线一端为全长的1/8处，因
7、此发出具有丰富泛音的声音来。此外，各种巧妙的演奏方法，如提琴的用弓就有连音、顿音、断音、滑音、 跳弓、打奏、撞弓、用弓根、用弓尖、拨奏等多种方法，使弦产生如下四种不同 的振动模式，因而对音色产生影响：弦振动最重要、最基本的模式是横振动。当弦受到与弦长方向垂直的力作用 时，弦线就沿着与弦长垂直的方向振动，这就是弦的横振动。与别的振动模式相 比，它的能量最大，它决定弦振动的基频以及主要的倍频成分。弦振动的第二种模式是纵振动。当弦受到与弦长同一方向的力作用时，弦线 就沿着与弦长方向振动，这就是弦的纵振动。例如弓弦乐器拉奏时，运弓方向总 不会与弦长方向绝对垂直，而总有沿弦长方向的分力，于是就有纵振动产
8、生。纵 振动的能量不大，但它的倍频成分对音色有影响。弦振动的第三种模式是扭转振动。当弦受到对其轴线的扭力短时，如拨弦或 拉弓时，就会产生一种扭转振动。扭转振动也对音色有影响。如我们很容易分辨 出小提琴的拨弦声，这就是扭转振动对音色的影响。弦振动的第四种模式是倍频振动。当弦线作横振动中振幅达到最大时，弦线 对其两端的固定点就要拉紧一下。因此，每作一次横振动，弦线对其两端要拉紧 两次，这就是倍频振动。在乐器的系弦点刚性不强而弹性较大(如竖琴)时，倍频 振动对音色的影响就较为显著。在弦乐器中，有些乐器如竖琴四种振动模式都较强，有些乐器则只有两、三 种振动模式较强，有些乐器甚至缺少某些振动模式，如击弦
9、乐器扬琴几乎没有纵 振动和扭转振动，这将使音色和表现力受到影响。(2)气柱的振动笛、箫等都是我们熟悉的管乐器，其声悠扬婉转。李白的春夜洛城闻笛 “谁家玉笛暗飞声，散入春风满洛城。此夜曲中闻折柳，何人不起故园情”。李 益的初上受降城闻笛：“不知何处吹芦管，一夜征人尽望乡”。都说明了笛、 箫的表现力。我国的笛、箫、笙等乐器都是用竹管做成的，演奏时，用嘴在吹口上吹入气 流，引起管内空气发生振动，于是发出声音来。这种利用空气柱振动发声并且决 定音调的乐器，叫做管乐器。要了解空气柱振动的性质，我们可以做这样一个简单的实 号三 验。把发声的音叉放在高圆筒的口上，如图2-13。向筒内注水并听声音，当筒内水面
10、上升到一定高度时，音叉的声音便显著三地得到加强。如果再继续倒水，音叉的声音立即减弱，甚至听了不见。这是一定长度的空气柱与音叉的声音发生共鸣的现象。_取不同频率的音叉来实验，并量出每次空气柱的长度，可三图 2-13以发现，跟声音共振的最短空气柱长度正是声音波长的1/4。另外，空气柱长度是1/4波长的奇数倍时也会发生共鸣。波长是指声音在一个振动周期内所传播的距离。设空气中的声速为每秒340 米，则频率为1000Hz的声音，周期为0.001 s，因此它的波长为34X0.001 0=0.34 m；频率为500 Hz的声音，波长则为0.68 m，频率为100 Hz的声音的波长则为 3.4 m。总之，在同
11、一媒质中，频率越高，波长越短；频率越低，波长越长。注 意，水中的声速和空气中的声速不一样，所以，同一频率的声音在水中和空气中 的波长不一样。以上是“闭管”即一端开口一端封闭的管的情况。另外一种是 两端开口的管，叫做开管。取两个口径合适的两端开口的纸筒，使 小筒正好紧套在大筒内，将正在发声的音叉放在筒口，然后伸缩调 节纸筒到一定长度时，就发生共鸣（图2-14）。开管与某声音发生 共鸣时，它的最短长度是声音波长的1/2。另外，开管长度是1/2 波长的整数倍时也会发生共鸣。图2 1,总之，空气柱振动发声时，空气柱越短，发声的波长也越短即频率越高，空 气柱越长，发声的波长也越长即频率越低。因此，对于管
12、乐器来说，管越短，发 音就越高；管越长，发音就越低。箫和笛都是开管，管上有若干气孔，开闭气孔，就相当于变更管长，于是得 到高低音调不同的声音。这时，振动空气柱的长度正是吹孔到最近的开孔之间的 距离。改变管乐器管长的方法还有很多，如小号、圆号等使用活塞式按键来延长或截短实际气路，长号则是把附加管拉进拉出来改变管长，所以长号也叫做拉管。 为发出较低的音，所需的号管是很长的，如西藏寺庙举行庆典时扛着吹的“管号” 就极长；圆号的管长也有好几米，但把管子盘了起来，所以叫做圆号。吹箫或吹笛时，变更吹入气流的强弱，也能变更音调的高低。即用力吹时， 就能发出倍音（高八度）来。在军号或喇叭上，虽然没有可以变更管
13、长的气孔，但 能吹出高低不同的音调来，原因就在此。在笛上，还有一孔常贴上竹膜，管内空气柱振动时，竹膜也随着振动，增加 泛音，得到颤动的声音，使笛声更悦耳。常用的哨子就是闭管的一种，管长很短，所以发音特别尖。往暖水瓶灌开水时，会听到灌水声的音调随瓶内水面升高而升高。这是由于 随着瓶内水面的上升，瓶内空气柱越来越短，因此，由空气柱的共振而被加强了 的声音的音调也就越来越高。横着对一只空瓶的瓶口吹气，会发出一个声音，这个声音的音调高低取决于 瓶内空气柱的长度。空气柱越长，音调就越低，空气柱越短，音调就越高。还记得前面讲的“水杯编钟”吗?这里再做一个“管风琴”。准备好一排瓶子，顺次装入不同深浅的水，调
14、节水的深浅即瓶内空气柱的长 度，使各个瓶子能顺次吹出1、2、3、4、5等音调，于是一部“管风琴”便制 成了。邀请你的朋友每人负责吹一个瓶子，由你担任指挥，按照一个简单的曲谱， 规定好每人吹奏的顺序和时间的长短，排练几次后便可以登台演出了！如果不想要这个“管风琴” 了，可以毫不费力地把它改成“水杯编钟”那样 的打击乐器，只要稍稍调节水的多少，然后用金属匙轻轻敲打就行。不过发出的 声音与“管风琴”不大相同，水装得最满的瓶子不再发出最高的音，而是最低的 音!你一定会知道这其中的原因。簧的振动拆开口琴上的金属外壳，就可以看到在一块长方形的木板上，有许多长条形图 2-15的孔，如图2-15所示。每一个长
15、方形的条孔上， 装有细而长的按长短厚薄有规律排列的弹性金属 薄片一一簧。它的一端是固定的，另一端可以自 由振动。它盖在条孔上，但簧和孔边有极小极窄的缝隙。在条孔的开口端吹入气 流时，簧就振动，发出声波。口琴上的簧有两种装置方法，一种装在条孔的外面板上，一种装在条孔的内 面板下，一上一正，依次排列。吹气时，装在板上的簧振动发声，吸气时，装在 板下的簧振动发声。长短厚薄不同的簧发声的音调是不同的。长而厚的簧、振动缓慢，频率低， 发低音，短而薄的簧，振动迅速，频率高，发高音。簧上有锈或附着灰尘，簧的固有频率就会改变，当然音调就不准确了。所以 要保持簧的干净。吹奏后，口琴应放在通风的地方，使它干燥。单
16、簧管（也叫黑管）和双簧管都是有簧片的，单簧管有一片簧，双簧管有两片 簧，它们的簧片都在吹嘴里。但是它们却不是簧乐器而是管乐器，这是为什么呢？ 原来单簧管和双簧管的簧只起到起振作用，而不起决定音调的作用。演奏者吹奏 时，单簧管的簧片与基板拍打而起振，双簧管则是一对簧片相互拍打而起振。这 时，吹嘴旁边的气流中产生各种频率的小振动，而只有与有效管长相匹配的频率 才被选择出来而形成驻波，这是声波和它的反射波相叠加时产生的一种驻定而不 向前传播的特殊波动状态，决定音调。所以，决定音调的是有效管长中振动着的 空气柱的长度，而有效管长是由按键打开和关闭管上的小孔来实现的。因此，单 簧管和双簧管是管乐器而不是簧乐器，而仅由簧片本身的固有频率决定音调的乐 g p 曰 rr. g
