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钢琴的张弦系统

发布日期:2016-04-21  来源:律动钢琴网  浏览次数:726

此系统是钢琴最重要的部件,钢琴的声学品质好坏取决于此部分的设计水平和加工质量。它是由木支架、音板、铁支架、弦列四部分组成。
  (一)木支架是钢琴的基础构件,是由粗大的上、下横梁(多以硬木制作)、立柱(由4—6根松木制成)及胶合在木支架上的弦轴板等主要部件组成。钢琴的其它系统也都是以螺栓或胶合的方法组合在木支架上。木支架分为有中柱和无中柱两种设计。无中柱的设计多见于小型立式琴,它有加大的铁支架边框,来克服铁支架弯曲变形的可能性。有中柱的设计多见于大、中型立式琴。一般有2—4根中柱,这不仅加强了木支架的总体抗变形能力,还以螺丝穿过音板将铁支架与木支架连接在一起,有效地避免了铁支架可能出现的弯曲形变。
  弦轴板是木支架的重要组成部分,钢琴的音准能否保持主要取决于轴板的质量。它是以致密而富于弹性的木材制成。由于要在这块不大的板上钻220多个孔,每个孔栽进已挂好琴弦的弦轴,16t—20t的张力即是通过弦轴板固定在铁支架上。为了使弦轴不松动,轴板不开裂,早期加工时将三层或五层薄板,横竖交叉地胶合在一起,以保证质量。但由于木材加工中干燥得不充分,弦轴板松动又是常见的毛病,特别是北方有暖气的房间里更易于发生弦轴松动的现象。工厂和使用者对此都应采取措施,工厂要严格保证弦轴板的含水率不高于6%,使用者则应采取措施,增加室内的湿度(以不低于40%为好),或在干燥季节在钢琴下门里面放两杯水。
  近年来,国产多层胶合弦轴板质量大幅度提高,已被普遍采用。这种材质的轴板受气候影响较小,对提高音准稳定性大有裨益。
  (二)钢琴音板(响板)是张弦系统中最重要的部件,钢琴的音色优劣取决于此。它是由音板大板、肋木、边框、斜框、弦码组成,钢琴的音色是诸多因素造成的。虽然张弦系统的音板是其音质好坏的根本,但弦码、肋木的配置、弦槌击弦的位置及击弦机的某些部件都对钢琴的音色有很大影响。尽管某些部件有一些小的变化或缺陷不会对钢琴音色有很大影响,但若过多追求工艺简化,用料节省,在某一点上可能对音色影响不大,但将诸多个点集合起来,则会产生较大影响。
  音板制作是生产厂家的秘密,同样的部件,不同的制造工艺方法,音质各有不同。音板大板是音板的基础件,它的功能是将琴弦振动的能量扩大辐射到空气中去。手指敲击琴键,通过击弦机的一系列杠杆作用,使弦槌击弦。琴弦振动的能量很小,必须有共振体加以扩大才能为人耳感知,不仅是钢琴,所有也乐器都是如此。乐器的好坏均取决于共振体,将小提琴的共振体加大,就变成了中提琴、大提琴……钢琴所以有其特殊的音色,即是因为钢琴音板的设计形式。假设将钢琴的音板制成一个箱体,可能就没有人能听出是钢琴发出的声音了。
  音板在传统做法上有两个有弧度的斜梁,这是因为在实验室里内,对音板进行实验得知,音板的振动是以弦码为长轴呈椭圆形的共振区,高音区的右下角,低音区的左上角,不参与振动,以弦形斜梁截断这两个区域使之成为静角。由于制作有弧度的斜梁费工费料,绝大多数厂家均已改为直线斜梁,音色未见明显变化。近年又出现只有一个斜梁,或无斜梁的设计,进一步降低了成本,音色似乎也未见有多大改变。但是钢琴厂和技术人员需知,高档琴与中档琴,中档琴与低档琴的声音多数情况下就差那么一点点,价格就差几倍,这在乐器行业是常识。
  音板框是以约5cm见方的木条制成。其作用是作为音板与木支架(背架)的媒介体,将音板固定在木支架上使其成为张弦系统的一部分。其次是起到将肋木的两端压实的作用。因为肋木有中间突起的弧度,在弧度的中部有弦码压力,易致使肋木两端开胶翘起。在设计思想上,有人主张肋木两端压实会使音板振动受影响,使音色变硬,因此设计时将肋木两端与音板全部或部分留有一定间隙。但在实践中这种音色的变化即使存在也是极微弱的,而一旦肋木两端开胶,则是工艺上不允许的,它既破坏了音板整体性,也减弱了对弦码的抵抗作用,使音板易出现塌陷,对音质影响很大。两者相较还是以将肋木两端压实的工艺做法更为稳妥。
  肋木是音板的重要部分。它是以约2.5cm见方的长木条锯成有一定的弧度的形状,按音板打板的横向纹理粘接在一起。肋木的作用是以其弧度,使音板膨起一定的形状,用以抵消弦码对音板的压力。其次是肋木把整块音板连接起来,这种连结不仅是结构上的需要,对声音传播也是重要的。钢琴音板的传统做法,是以薄木板拼接成的1.5m²的薄板,在四季温湿度变化中,1.5m²仅厚0.8cm的大板发生开裂是很常见的现象。由于肋木与音板的纹理垂直粘贴,使声波的传递呈网状,使得音板开裂音质却不受影响。反而由于开裂使音板更充分干燥,声音更趋明亮。一些老琴音色清亮,除弦槌因素外,与音板开裂、充分干燥有直接关系。
  弦码是钢琴张弦系统重要部件之一。任何一种弦鸣乐器都有弦码的装置,有其不同的形状,都是经多次试验改造确定的。
  弦码的第一个作用是,选择适当的位置,保证琴弦的充分振动。确定了弦码的位置,也就确定了琴弦的长度。琴弦的音高和张力是设计的最重要依据。有了音高、张力和确定了弦长,即可用数学公式求出琴弦的直径。弦码在皮膜(胡琴)或木板(扬琴、提琴、钢琴)上的位置对乐器的音色有极大影响。其次,是将琴弦振动的能量传导给共振膜或板,再通过共振扩大,传播到空气中去。此外,弦码还对声波起过滤作用。一般来说由于皮膜在共振时高频音衰减较多,弦码普遍较小。低音乐器弦码相对加大,是滤去部分高频泛音使低音更为浑厚。木板在共振中中高音频泛音衰减较少,所以弦码设计得较大,目的是滤去部分高频泛音,以免乐器出现刺耳的音色。
  钢琴的弦码分为低音弦码、中音弦码和高音弦码(三角琴的中高音弦码是贯通的整体)。低音弦码是由码子垫板、码桥板和码子组成。前三部分是用胶加螺钉组合在一起,然后再用胶和螺钉固定在音板上。低音码桥板的装置,非常巧妙地将加长了的低音弦码离开了音板的边缘,又增加了过滤层,使得低音保持其浑厚的音色。三角钢琴虽然无码桥板,但低音码做得很宽大,同样起到上述作用。
  钢琴的中、高音是评价其声学品质的最重要部分。因此这部分制作难度极大。特别是高音区,最短的琴弦有效长度比一支小牙签还短(50mm)还细(0.775mm),而中、低音区的有效弦长大三角琴可达2m多,小型立式琴的低音弦直径比筷子还粗(8mm)。相差如此悬殊的琴弦要求发出大体相同的音量,可见难度之大。为达到音量平衡的目标,钢琴制造家们在音板和琴码上采取了很多巧妙地设计。
  中、高音弦码是由一条截面积约为30mm×30mm的长木条制作(由于设计不同,弦码规格不尽相同)。此部分的制作,多数厂家都给予高度重视,但也普遍存在工人不了解原理、操作不都认真的问题。弦码的宽度,按技术标准加工成半成品,其规格可以保证,但弦码的底面应依音板的弧度严密粘接的原则及音板弧度来确定弦码高度的原则往往不能正确执行。
  所有的弦鸣乐器其弦码都不同程度的高出琴弦水平面而形成夹角,其目的是使琴弦张紧时给共振板(膜)以一定的压力使之利于振动,又使弦码与音板之间紧密 结合,琴弦振动时不会产生杂音。钢琴的弦码比琴弦两端的弦枕或挂弦点高出很少,不以器具测量难以感知。而且与其它弦鸣乐器不同,钢琴的弦码是与音板胶合在一起的。这个工序对音量音质影响极大,但在操作上又属于木工系统,而且影响钢琴音量音色的因素还有很多,所以在制作中易被忽视。
  立式钢琴的中、高音区的铁板必须设置支撑杆筋,以保证铁支架(铁骨)能承受弦的巨大张力。因此立式琴的弦码在小字二组处是断开的,此部分往往出现音质不好,音准稳定性差的现象,如果在允许的范围内将断开处的接板加厚,音质会得以改善,音准稳定也会有很大改善。在钢琴的最高音区的小字四组,往往音量不够或音质差,原因之一是琴弦短而细,振动能量很小。采取适当减少弦码截面尺寸,同时将弦码底部减小以扩大音板的共振面,弦码的过滤作用也会相应减弱,高音区的音色会有所改善。
  钢琴的弦码高出弦平面仅3—4mm,这是因为弦码高于弦平面程度与弦对音板的压力成正比。若钢琴弦码如提琴、扬琴、古筝弦码那样的高度,隐蔽那鼓起的弧度必须加大,肋木抗弦码压力的能力也须加大,钢琴的音色大约就陌生了。
  由于钢琴音色的需要,弦码设计比较低。也由于这个原因,弦码与音板胶合在一起,使得琴弦振动能量不受损失地传导给音板。同样原因钢琴琴弦在振动时,若不能紧贴在弦码上,会出现杂音。所以与其它弦鸣乐器不同,钢琴的弦码上每根弦都设置有一对驳钉,在与琴弦垂直方向,上下两驳钉之间留出一定的距离,错开一定的角度。同时驳钉本身成30°倾斜角钉入弦码,以使琴弦紧张时会紧紧压在弦码上,使琴弦振动时不会出现杂音且弦振动能量不会受损。
  弦码处于整条琴弦的什么位置上对音色音量都有很大影响。这涉及到了琴弦振动的原理。琴弦的振动,绝不是一根钢丝的往复摆动,而是复式振动的复杂过程。以听觉来判断某一根弦的音高,可以分辨出除基因以外的多个泛音。以更直观的方式可以判别弦的振动:用手指触摸振动的琴弦,可以感知越近节点(弦的波节处)振动越弱,越接近弦的波峰部位振动越强。钢琴的中低音弦码设置的位置应接近弦的节点。这除了结构上的原因,也与控制音量有关,高音的弦码设置靠近弦的中部,以扩大其音量。不仅如此,高音区的弦码力求设置在与整条弦的长度有整数比的位置,使琴弦尾端和弦枕以上部分与有效振动的弦长部分的音高,应成为谐振关系。这样的设计,一则可以使琴弦得到充分振动,二则弦码以下及弦枕以上无效弦长部分可以起到共鸣作用,以丰富高音区的音色和加大高音区的音量。目前这种设计还只见于三角钢琴,在不久的将来立式钢琴避讳借鉴其成功之处,使立式钢琴的音色得到进一步完善。
  (三)张弦系统的铁支架称铁骨,铁骨是张弦系统的龙骨,约16t—20t琴弦张力均依赖于铁骨的支撑。在钢琴的发展过程中,铁支架的发明是钢琴的第三次革命。
  19世纪中叶英国人J•I豪金斯首先应用铸铁支架,代替了十几根粗大的木支架。由于铁支架的高强度,使琴弦的加长加粗有了可能,交叉弦列也随之产生,使钢琴的音色音量得到根本的改善,到此时钢琴的设计臻于完善。
  铁支架是铸造而成的。其形状设计需满足弦列的张力,克服弯曲变形及减轻重量以利运输。这些原则使得铁支架除装弦轴板上部有一块不大的平面外,都是杆筋结构。在整个铁支架上要钻400多个大小不一的孔,这些孔的位置是根据弦列设计而确定的。在其上部钻的250个孔是用来固定弦轴、弦轴板、压弦条、击弦机支架上的螺丝并使整个木支架结合在一起。为了防止锈蚀,铁支架铸好后要经过清砂、打磨、刮腻子、磨光、喷底漆、喷金粉、喷亮油等几十道工序加工,完成后铁支架成为一个金灿灿的铁骨架,很多人还误以为是铜板制成。
  铁支架的左下角和中高档分界处,是其薄弱点,是琴弦张紧后应力最大的部分,是最易出现变形的部位。一架旧琴的档次高低,是否还有使用价值,主要观察此铁支架的完好程度即可得出结论。
  有些旧琴铁支架断裂,用铸铁焊条焊接是不可取的。铁支架所以断裂若不是受外力破坏的话,即是由于设计强度不够,焊接不可能提高其原来部位的强度。其次铁支架的特殊结构,使焊接口冷却时无收缩余量,绝大多数用不多久还从原焊接口附近裂开。唯一的办法是换新铁支架,这样做是否值得,要综合分析,若非名贵品牌或具有文物价值,一般以报废为上策。
  (四)弦列是钢琴的发声体——声源,它是钢琴设计的基础。一切其它设计,如键盘系统、踏板系统、外壳系统等都是以设计为依据的。
  立式钢琴的低音区,通常是有二十八至三十个半音组成,其琴弦长度是弦列中最长的。由于低音区的频率很低(最低音A2仅27.5Hz),琴弦必须加粗(越是小型琴弦越粗)。最低音的九至十三个半音,每个音一根弦,是由直径1.0—1.4mm的琴钢丝外层缠绕上一至两层粗细不同的铜丝制成的。此部分低音区可视为钢琴声音的基础,这部分琴弦的设计,包括弦直径、长度乃至外层铜丝的缠绕等,对音质影响极大。
  钢琴的中音区,由直径、长短不等的专用琴钢丝组成,每个音都是三根弦组成,不仅增大了音量,更重要的是丰富了音色。
  琴弦的振动是一个复杂的过程。琴弦的振动需要三个条件:张力、两个支撑点、外力激发(激发琴弦的动力)。其中张力的大小(松紧程度)与弦的长度、直径、弦的质量(密度)及频率有定量的关系,可用数学公式求得。琴弦振动时的两个支点,上端是弦枕,下端是弦码(几乎所有的弦乐器都是如此)。弦枕和弦码与挂弦的轴和销钉必有一定的折角,目的是给弦枕和弦码一定压力,使弦在振动时不能有任何方向位移。且弦码由于受压,对音板(或皮膜)形成压力,使音板由弦的振动,通过弦码的传导获得能量而振动,并且不会产生杂音。
  钢琴的琴弦上端结在弦轴上,下端挂在铁支架的挂弦钉上,通过上端的弦枕,下端的弦码两个支撑点,将弦张紧到音高所需的张力。
  当琴弦受到来自琴键推动的弦槌的击打时,原处于静止的琴弦,由于外力的作用,弦向一侧偏离,由于被张紧的琴弦有其内应力,使偏移了的琴弦迅即地向相反方向做横向振动(移动的速度与琴弦的长度、直径及张力有关)。由于弦的内应力和惯性作用,振动的琴弦在两个支撑点间还存在着纵振动,直到从弦槌获得的能量耗尽。
  琴弦从原位偏移的量(振幅)声学上称为振幅。振幅的大小,来自演奏者对琴键的敲击力度,敲击的力度越大,弦获得的能量越大,弦的振幅就越大,音量就越大。
  从琴弦被打击而偏移,到由于弦的内应力和惯性使琴弦迅即复位的每一个过程,声学上称为振动周期。移动速度越快,振动周期越短,单位时间内振动周期越多,听觉感知的音就越高。我们用频率记述这种振动周期,其单位为赫兹(Hz)。
  当琴弦从弦槌所获得的能量逐渐消耗,振幅逐渐减少,音量随之减少,但琴弦的振动频率始终不变。因此,击键力度大小,只有音量的变化而没有音高的变化。
  当弹一中音,隔两个八度再弹奏高音时感觉有些偏低(实际不低),这是另一物理现象,调律师们在调钢琴时都考虑了这种因素。

 

 


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