劉功昊

（沈陽(yáng)音樂學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110818）

一、音板的增幅振動(dòng)

音板是鋼琴中的彈性物體，受到外力激發(fā)會(huì)產(chǎn)生偏離平衡位置的形變，一段時(shí)間后，受彈性恢復(fù)力的作用又回到初始平衡狀態(tài)。音板在振動(dòng)時(shí)分為全板振動(dòng)和部分振動(dòng)，在振動(dòng)的模態(tài)上與膜振動(dòng)一致，因此，可以用膜振動(dòng)的物理公式計(jì)算板振動(dòng)的振動(dòng)方式。音板的增幅振動(dòng)是決定其聲學(xué)品質(zhì)的重要因素，能否將不同長(zhǎng)度、頻率的琴弦產(chǎn)生的能量均勻增幅擴(kuò)散出去，是本節(jié)要觀測(cè)研究的。

圖1-1 音板振動(dòng)的四階振型

鋼琴音板和琴弦共同組成了聲音發(fā)聲裝置，琴弦是第一次自主能動(dòng)振動(dòng)體，音板則是二次增幅振動(dòng)體，音板振動(dòng)是接續(xù)琴弦復(fù)雜振動(dòng)的合成增幅振動(dòng)，音板相當(dāng)于振動(dòng)板接收琴弦激發(fā)的振動(dòng)能量并增幅再現(xiàn)它的振動(dòng)形態(tài)，音板要完美地接續(xù)振動(dòng)形態(tài)且不能出現(xiàn)扭曲、斷頻振動(dòng)，振動(dòng)轉(zhuǎn)化成聲波是音板表面擾動(dòng)周圍空氣發(fā)生運(yùn)動(dòng)的自然結(jié)果。

如圖1-1所示，鋼琴音板的四種振動(dòng)模態(tài)，第一模態(tài)是最為簡(jiǎn)單的，只有一個(gè)峰值在正中央；第二模態(tài)是有兩個(gè)不同方向的振動(dòng)峰相疊加，音板中間形成一條振動(dòng)節(jié)點(diǎn)線；第三模態(tài)是比較復(fù)雜的振動(dòng)模式，可以看出是橫向振動(dòng)模式，由兩條節(jié)點(diǎn)將音板分成三個(gè)振動(dòng)區(qū)域；第四振動(dòng)模態(tài)有兩個(gè)波峰和波谷，由一條線分為兩個(gè)振動(dòng)區(qū)域，是一個(gè)正弦波的狀態(tài)。

鐵支架對(duì)音板增幅振動(dòng)產(chǎn)生影響，鐵支架是鑄鐵材質(zhì)，比木材密度大很多，由于鐵支架密度大、硬度高，有助于產(chǎn)生高頻諧波且不易衰減，當(dāng)弦槌擊打琴弦后，會(huì)產(chǎn)生較弱的無(wú)序諧波。音板自身是木質(zhì)結(jié)構(gòu)，會(huì)吸收較為弱的無(wú)序諧波，起到制音的作用，鐵支架會(huì)接收琴弦產(chǎn)生的高頻諧波并增幅再現(xiàn)，由此，鐵支架的設(shè)計(jì)要求不能過重侵害音板的機(jī)能，盡量選取輕質(zhì)的材料，但要能夠承受住來自琴弦的張力。

二、音板的振動(dòng)能量衰減與振動(dòng)發(fā)聲機(jī)理

音板振動(dòng)能量衰減時(shí)間是衡量鋼琴音質(zhì)好壞的重要評(píng)判條件，通常來說，如果踩下右踏板讓制音器全部抬起，聲音可持續(xù)10s，甚至更長(zhǎng)，在琴鍵彈下的那一刻基音的強(qiáng)度衰減較快，后面泛音的部分衰減較慢，如圖2-1所示，（1）代表彈下琴鍵的那一刻，發(fā)出的聲音是垂直于音板方向，可以看出音板對(duì)垂直方向發(fā)出的聲波吸收比較迅速。（2）代表彈下琴鍵后的持續(xù)發(fā)音聲波，音板對(duì)后續(xù)發(fā)音的泛音吸收比較緩慢，因此，當(dāng)琴鍵彈下時(shí)，所發(fā)出的音是二者結(jié)合，人耳接收到聲信號(hào)是兩種振動(dòng)的結(jié)合形式。音板振動(dòng)形成的聲場(chǎng)時(shí)間有略微差異，其原因是兩個(gè)分量的相對(duì)相位關(guān)系所決定的。

圖2-1 音板振動(dòng)聲波衰減過程

其聲波衰減過程如圖（3）（4）表示，基音聲波達(dá)到最大分貝后快速衰減，泛音部分則衰減較緩，這是由音板振動(dòng)能量衰減特性決定的，與彈奏者使用多大的力量彈奏琴鍵無(wú)關(guān)。且由于音區(qū)不同，聲波衰減也與琴弦的長(zhǎng)度有關(guān)，高音區(qū)琴弦較短較細(xì)，聲衰減就非常明顯；低音區(qū)琴弦較長(zhǎng)，外層還纏有一層或兩層銅絲，其聲衰減相對(duì)緩慢。

音板聲衰減時(shí)間長(zhǎng)短決定了其聲音的飽滿度，當(dāng)音板聲衰減過快的時(shí)候，人耳聽起來會(huì)覺得聲音干澀無(wú)味，缺乏感染力和表現(xiàn)力；當(dāng)音板聲衰減過慢的時(shí)候，連續(xù)音會(huì)出現(xiàn)渾濁不清的現(xiàn)象，讓人很難分辨出來前面的音響是否結(jié)束并且會(huì)造成混響，因此，音板需要有合理的聲衰減時(shí)間，在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師會(huì)根據(jù)鋼琴的定位來確定其音板的聲衰減時(shí)間，符合演奏家和廳堂的整體聲學(xué)需要。

音板是連續(xù)彈性振動(dòng)的薄板，受到激勵(lì)后會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，音板主要有四種振動(dòng)形式，不同激勵(lì)方式會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)形式，其激振力大小決定振幅大小，當(dāng)演奏者彈下琴鍵弦槌擊打琴弦，琴弦會(huì)產(chǎn)生張力脈沖，脈沖力則通過弦碼傳遞給音板，音板會(huì)接收此脈沖力并擴(kuò)大脈沖力激勵(lì)。與此同時(shí)，音板還會(huì)受到由琴弦縱振動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)，演奏者不同的下鍵力度和停留在琴鍵上的時(shí)間（制音器離開琴弦的時(shí)間）決定了此脈沖力的高度和寬度，也就是音板振幅的大小。脈沖的寬窄決定了頻譜的寬窄，音板得到的激勵(lì)也有對(duì)應(yīng)變化，這就決定了每個(gè)演奏家的風(fēng)格，當(dāng)脈沖力全部結(jié)束后，音板的振動(dòng)就會(huì)快速衰減，直到音板停止振動(dòng)，這一過程屬于穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)過程，其響應(yīng)頻率與激振頻率成正比關(guān)系。

三、弦板耦合振動(dòng)特性

弦振動(dòng)理論中的弦支持一定的振蕩模式，或者共振頻率，其波長(zhǎng)準(zhǔn)確地配合兩個(gè)端點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，是簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，板振動(dòng)符合膜振動(dòng)的物理特性，但是在振動(dòng)模態(tài)上要比膜振動(dòng)更加復(fù)雜。由于人耳接收到的鋼琴音響是弦振動(dòng)和板振動(dòng)共同作用產(chǎn)生的，因此，弦板耦合振動(dòng)特性對(duì)鋼琴聲學(xué)品質(zhì)具有較大影響。

在耦合振動(dòng)中，弦振動(dòng)與板振動(dòng)相互影響，并不是與受迫振動(dòng)相同的策動(dòng)方影響被策動(dòng)方較大，與之相比，耦合振動(dòng)更強(qiáng)調(diào)的是兩個(gè)系統(tǒng)的相互影響、相互作用。鋼琴音板與各弦產(chǎn)生的共振峰、谷應(yīng)在鋼琴整個(gè)頻段分布上是均勻的，這樣高低音區(qū)的音質(zhì)才會(huì)均勻。鋼琴音源系統(tǒng)的琴弦和音板在鋼琴的不同振動(dòng)模態(tài)下形式不同，頻響曲線也有所不同。

當(dāng)琴弦振動(dòng)產(chǎn)生能量傳遞給音板時(shí)，音板產(chǎn)生接續(xù)振動(dòng)，板振動(dòng)接續(xù)弦振動(dòng)的能量激發(fā)自身的頻率振動(dòng)，琴弦產(chǎn)生的泛音諧波激發(fā)音板振動(dòng)的頻率將振動(dòng)效率提高，15個(gè)泛音諧波激發(fā)音板振動(dòng)頻率的同時(shí)，每次泛音諧波能量逐漸衰減。依據(jù)板振動(dòng)特性，當(dāng)音板振動(dòng)時(shí)，應(yīng)在弦列策動(dòng)下均勻增幅弦振動(dòng)，并將共振時(shí)的聲能量效率提高，抑制不規(guī)則泛音能量，起到一定的美化音質(zhì)的作用。

當(dāng)琴弦振動(dòng)能量在音板上產(chǎn)生周期性變化的激振力，音板接續(xù)弦的振動(dòng)，其振動(dòng)頻率等于激振力頻率，或與激振力頻率成倍數(shù)關(guān)系。因此，音板作受迫振動(dòng)的振幅不僅和琴弦產(chǎn)生的力有關(guān)，還與琴弦頻率以及與共振物體自身固有頻率耦合程度有關(guān)。

四、鋼琴音板輻射頻率

鋼琴音板的作用是把振動(dòng)能量輻射到空氣中，通過空氣介質(zhì)傳入人耳，能否把全音域A2 27.5Hz-c5 4186Hz 的全部音均勻輻射出來是非常重要的。當(dāng)琴弦產(chǎn)生自身固有頻率振動(dòng)時(shí)，音板應(yīng)該按照該頻率進(jìn)行接續(xù)振動(dòng)，音板進(jìn)行接續(xù)振動(dòng)時(shí)，在其周期以固有頻率振動(dòng)時(shí)，衰減得較快，在進(jìn)行泛音振動(dòng)周期時(shí)，音板接續(xù)的振動(dòng)頻率不是最開始的固有頻率，而是其產(chǎn)生的泛音諧波。

上述情況是理想中的振動(dòng)形態(tài)，通過大量的實(shí)踐分析得出，不同品質(zhì)的音板其輻射琴弦振動(dòng)能量的范圍也有所不同。測(cè)量不同檔次音板輻射頻率曲線發(fā)現(xiàn)，在一些中低檔鋼琴中，音板基本能輻射頻率200-2000Hz的音，200Hz以下的音輻射效果較差，低于100Hz的音幾乎輻射不出來，聽到的基本上是琴弦本身產(chǎn)生的振動(dòng)。1000-2000Hz頻率的音輻射效果也很不理想，高于3000Hz頻率的音輻射較為微弱，鋼琴低頻振動(dòng)通常不好，就是因?yàn)橐舭鍖?duì)這些低音的頻率失去了輻射作用，從而失去了音準(zhǔn)的清晰度，導(dǎo)致調(diào)律師在調(diào)低音過程中聽到的基音很弱，更多的則是它的泛音，影響了鋼琴整體的音準(zhǔn)，使低音缺乏低沉、渾厚、幽遠(yuǎn)的效果。同理，如果高音頻率輻射不好，會(huì)使高音缺乏清澈、明亮的效果。

五、結(jié)語(yǔ)

鋼琴音板振動(dòng)特性決定了鋼琴聲學(xué)品質(zhì)，高質(zhì)量的音板應(yīng)具備文中所提及的振動(dòng)特性，深入了解音板的作用并運(yùn)用到音板的設(shè)計(jì)過程中，改良音板聲學(xué)振動(dòng)性能是十分有必要的。在國(guó)內(nèi)外有關(guān)鋼琴音板的文獻(xiàn)中，很多利用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)改良音板聲學(xué)振動(dòng)性能，研究鋼琴音板生產(chǎn)工藝與音質(zhì)的關(guān)系，如果能運(yùn)用到音板的生產(chǎn)過程中，國(guó)內(nèi)鋼琴的聲學(xué)品質(zhì)將會(huì)有極大的提升。