乐器的声学原理及其应用——乐器的构造和声学构造

乌托邦Guitar

​摘  要 : 乐器是音乐的发声工具，随着人们音乐素质的普遍提高，人们对乐器的认识也发生了观念性的变化。
现代人看乐器的着眼点也已从“视感”转移到了“听感”，因而对乐器声学品质的要求越来越高。

这就迫使乐器的研究者和制造者不得不考虑如何在现有的水平上进一步、尽快地提高乐器的声学品质，从而为艺术和已被百姓视之为“精神食粮”的音乐艺术提供更加完美的乐器。

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古人云：“工欲善其事，必先利其器”，这里要说：“工欲善其事，必先明其理”。
研讨“对乐器的学理认识”，亦要研讨对“乐器学理”的认识，更要研讨“学理与工程的链接”。

研讨对乐器的学理认识，是凭借既有理论对乐器作进一步的理解，在加深认识的基础上，找出乐器的优劣所在；研讨对乐器学理的认识，是对既有理论的检验与盘点，确定出既有理论中还有那些空白有待填补，还有那些偏颇或谬误应予以修正；研讨学理与工程的链接，是为实现科技成果向生产力的转化。

从而推进乐器科学的发展和乐器产品的优化，总之，开展关于乐器科学的研讨，不仅具有应用的现实意义，同时也具有振兴乐器科学的深远意义。

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1．乐器的构造

从不同的视角看乐器，乐器有其同时存在的两种构造形态：一种是它的机械构造，另一种是它的声学构造。

乐器的机械构造是按照机械学的理论所梳理成的构造，这种构造是乐器在物质世界的存在形态，是摸得着、看得见的。

而声学构造是按照声学的理念所梳理成的构造，这种构造是乐器在思维领域的存在形态，看不见、摸不着，但它是乐器的灵魂。

讨论乐器的构造是为从中寻求乐器的“理”。乐器包含两种“理”，一种是“原理”，一种是“机理”。

原理是“理”的根本，在此领域内，原理放之四海而皆准；机理是应用原理的“理”，它是局部的“理”，不同类别的乐器各有其不同的机理；原理存在于“声学构造”中，机理存在于“机械构造”中。

因此，欲求乐器之“理”，声学构造与机械构造皆须予以剖析。

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1.1 乐器的声学构造

乐器的声学构造由各种不同的声学元所组成。

在不产生歧义的情况下，声学元可以简称为元。元的含义有三层：其一，元是一种概念而不是“物”；其二，元的概念是各有所指的声学功能；其三，各种元的功能都是最基本的，因而是不能再继续分解的。

乐器的声学构造由以下七种声学元所组成：

1.原始振动元：是乐器发声时声学构造中首先产生振动的元，所以它是振源。

2.激发元：是将激发力施加于原始振动元从而使其产生振动的元。

3.放大元：是将原始振动元的振动予以放大从而加大乐器音量的元。

乐器中“放大”作用的机理常被理解为“都是共鸣”，这是误解。因为受迫振动中只有发生在固有频率上的振动才称为共振，只有此时才具有最大的振幅，因而也只有此时的音量才最大。

离开固有频率的一切受迫振动都不会获得最大的振幅，这些情况下的振动是被排除在共振定义之外的振动。

在实际情形中利用共振加大音量的方法只用于极少数的乐器上，而对于很多乐器的声音放大不仅不能利用共振，反而要避开或消弱共振。

当然，在一般情况下称“共鸣”并无大碍，但必须厘清概念。否则，误解便会造成误导。

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4.传振元：是将振动传给其他元的声学元。

5.控制元：是在乐器发声过程中对振动或声音的辐射进行调控，从而改变声音特征的元，被改变的特征可能是音高、音量、音色、延时或者其他。

6.辐射元：是将乐器的声音送向乐器以外空间的元。

7.辅助元：是为其他诸元提供条件保证的元。

根据上述可以看出，声学构造是“概念性乐器”的构造，它所具有的结构成分是乐器声学原理中的要素，因此可以说：所有机械乐器的声学构造都是完全相同的，都由上述的七种声学元所组成，既无构成上的繁简之分，亦无道理上的深浅之分，因为它本身就是原理。

在元的概念理解上须予以注意，声学元可以简称为元，但不能称其为“声学元件”。因为在基础声学中，“声学元件”另有定义，它是指“声阻”、“声容”、“声狃”和“声顺”等。

虽然这些声学元件的物化物与这里所称的声学元可能物态相同、功能相同，甚至就是同一物件，但二者定义的所在领域不同，定义所在的层面不同，定义域也不相同。

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1.2  声学元之间的关联

乐器声音的产生是诸元协同工作的结果，协同便发生了关联。从总体上讲，关联表现为以下三种关系：

依存关系：是指某种元的功能的实现须由另一种元予以提供。

制约关系：是指某元对另一种元存在有限制性，而另一种元必须予以屈从。

变异关系：是声学线路中元与元之间在传递信息时，对所传信息的性征所造成的变化。这些变化可能是基因成分的“添加”或“筛除”，也可能是给予“加强”或“削弱”。

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1.3  乐器的机械构造

从机械学的视角看乐器，乐器就是一部“机器”，是制造音乐用音的机器。而音乐所用的音是各种各样的，因此“制造机”的构造也存在很大的差异。所以它们没有一个统一的构造形态，欲谈机械构造必须分别而论。

因为这些机器的“产品”具有共性，那么这些作为机器的乐器在结构成分的性征上也就必定具有共同的特征。

鉴于此，从总体上对各种不同乐器的机械构造也就可以做出统一的描述：

（1）乐器的机械构造是声学构造的物化物。

（2）物化后的机械构造对于不同的乐器各有不同的机械构成及其形态。

（3）无论机械构造繁简，构造中都必定含有声学元的功能，但不一定全数含有，而此时所缺少的声学元必定在人体上；无论是否全数含有声学元，元的物化物在件数上也不一定与元一一对应，即可能是数元合一对应于一个机件，也可能是多个机件对应于一个元。

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（4）在不同的乐器中，声学元的物化物可能以构件的形态出现；也可能以材料的形态出现；还可能是利用存在于乐器中的气体，或人呼吸所产生的气流。而在有些乐器中，人体的某个器官也是乐器的一个组成部分，且缺之不可。

（5）在乐器构件之间的机械关系中必定寄生有声学元之间的关联关系，并且还迫使机械关系予以服从。

（6） 除声学元物化后的构件之外，在不少乐器的构造中还含有纯结构性的构件和装饰性构件。

由于机械构造中的某些零部件具有声学和机械学上的双重功能，为了在此后不同的讨论场合中能有一个恰当的称谓，可在其机械名称之外，再赋予该零件或部件一个具有声学元功能的名称，此时将其称为“某某体”。

“某某”二字的含义即是声学元的功能。如此，乐器的机械构造中便包含有激发体、原始振动体、传振体、放大体、辐射体、控制体和辅助体等七类构造体。

原文刊载于《演艺设备与科技》2006年第3期