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2012年4月，現(xiàn)任沈陽音樂學(xué)院樂器工藝系副主任、碩士生導(dǎo)師秦敏靜教授通過對“哈曼尼”133系列鋼琴長期、認(rèn)真、細(xì)致的研究，并結(jié)合多年鋼琴制造理論經(jīng)驗，撰寫了《立式鋼琴高音區(qū)雙泛音結(jié)構(gòu)的理論與應(yīng)用》一文。該文被國家級核心刊物—《樂器》雜志刊登在2012年第四期24—26頁。

鋼琴的發(fā)展已日趨完美，但許多鋼琴廠家仍不斷的在完美中求創(chuàng)新，想方設(shè)法的設(shè)計制造出屬于自己獨特音色的鋼琴。鋼琴高音區(qū)的音色，一直以來都是鋼琴制造者們追求的目標(biāo)。本文論述的立式鋼琴雙泛音的結(jié)構(gòu)裝置，既是通過福州和聲鋼琴廠哈曼尼133型號鋼琴的研究，闡述一種能夠利用琴弦的有效弦長與倍頻關(guān)系聲學(xué)原理，使立式鋼琴的高音區(qū)采用雙泛音結(jié)構(gòu)裝置的琴弦，在振動發(fā)音時，除了有效振動之外的不工作的兩部分產(chǎn)生與有效振動頻率諧和的倍頻諧波，形成音響的雙泛音效果，使高音區(qū)達(dá)到清澈、柔美且具有穿透力的音色。

將琴弦的無效弦長振動部分進(jìn)行有效的利用．體現(xiàn)在很多三角鋼琴的高音區(qū)弦列設(shè)計上。這一項專利的發(fā)明，早在19世紀(jì)的后半葉，就被施坦威D系列的九尺大鋼琴所采用（如圖1）。施坦威的高音區(qū)弦列的設(shè)計，采用的是單泛音的結(jié)構(gòu)形式．即是將碼釘?shù)綊煜裔斶@一無效振動部分，在每組琴弦通過的地方放置一個弦枕，這個弦枕的位置恰好是使弦枕到碼釘?shù)南议L等于有效弦長的1/2處，有效弦長振動的傳導(dǎo)，使得這一部分無效弦長產(chǎn)生了諧音，從而達(dá)到豐富了高音區(qū)的音色的目的。這項專利的發(fā)明，在現(xiàn)代立式鋼琴的生產(chǎn)中得到了充分的利用。

一、立式鋼琴高音區(qū)琴弦連接的結(jié)構(gòu)形式

弦列設(shè)計是鋼琴設(shè)計的最基本問題。在任何一架鋼琴上，琴弦的連接形式都是起始于弦軸，經(jīng)過弦枕，在弦碼處經(jīng)過一個曲折角后，繞在鐵支架上的掛弦釘上，再以相同的方式逆回到另一個弦軸上結(jié)束（如圖2）．

弦列設(shè)計中的弦長計算，是指琴弦的有效振動部分，而不是琴弦的全部長度。在整條琴弦連接的過程中，按其在振動中所起到的作用,被劃分成兩個部分，即琴弦振動的有效工作部分和無效工作部分。琴弦的有效工作部分是指從弦枕到碼釘之間的這一段有效弦長（如圖2中的Ⅱ部分），它是按照一定頻率的振動發(fā)音，并決定著聲音的高低。琴弦的無效工作部分是指從弦枕到弦軸、碼釘?shù)綊煜裔斕幍膬啥螣o效弦長（如圖2中的I、III兩部分），它不參與琴弦的振動。無效弦長在琴弦的連接過程中的作用是用來固定連接有效弦長的兩段琴弦．在現(xiàn)代鋼琴設(shè)計師們的設(shè)計中，為了更加豐富高音區(qū)的音色，他們把不參與琴弦振動工作的無效弦長進(jìn)行充分的有效利用，通過確定弦枕的有效位置來使原本不振動的弦長，按照形成倍頻音的弦長比例進(jìn)行設(shè)計，使其產(chǎn)生與有效振動頻率諧和的倍頻諧波，形成音響雙泛音的效果，進(jìn)而達(dá)到使高音區(qū)的音色更加豐富的聲音品質(zhì)。

二、高音區(qū)琴弦雙泛音結(jié)構(gòu)的特征

雙泛音結(jié)構(gòu)是由鐵支架、弦軸、琴弦、碼釘、壓線條、（上、下）弦枕和鐵支架上的掛弦釘構(gòu)成的（圖3）。普通的壓弦條和弦枕將（圖2）中的和I、Ⅲ區(qū)域兩段弦為琴弦的無效振動弦長，Ⅱ區(qū)域為琴弦的有效振動弦長。采用了雙泛音結(jié)構(gòu)后的三段壓弦條和弦枕，將無效振動的弦長按照產(chǎn)生與有效弦長振動頻率諧和的倍頻諧波，形成音響的雙泛音效果。

1、雙泛音音響效果的產(chǎn)生原因

琴弦振動時，所包含的泛音和諧音數(shù)以及它們的強度，即發(fā)出聲音的色彩構(gòu)成了音色。由于泛音的產(chǎn)生是與基頻成整數(shù)倍的關(guān)系，若使無效振動的弦長產(chǎn)生共鳴就必須使這一部分的弦長與有效弦長成倍數(shù)關(guān)系。因此，將第1組壓弦條設(shè)計在與有效弦長成1∶2關(guān)系的位置上，即可同時激發(fā)出比基頻高八度的第一泛音（第二諧音）。將第2組壓弦條設(shè)計在與有效弦長成1∶3關(guān)系的位置上，即可同時激發(fā)出比基頻高五度的第二泛音（第三諧音）。將第3組壓弦條設(shè)計在與有效弦長成l∶5關(guān)系的位置上，即可同時激發(fā)出比基頻高三度的第四泛音（第五諧音）。這一系列泛音的產(chǎn)生，無疑更加豐富了高音區(qū)的音色。

2、雙泛音的結(jié)構(gòu)在立式鋼琴中的應(yīng)用

在三角鋼琴的弦列結(jié)構(gòu)設(shè)計中，很多品牌鋼琴高音區(qū)的無效弦長第I部分，都運用了琴弦振動的有效弦長與有效振動頻率諧和的倍頻諧波之間關(guān)系，使這一部分弦振動產(chǎn)生諧音的效果。例如施坦威D系列的大三角鋼琴。在立式鋼琴的弦列設(shè)計中，一般中小型號的鋼琴很少使用這種結(jié)構(gòu)裝置，因為立式鋼琴的高音區(qū)的結(jié)構(gòu)條件有限，所以在130以上的大型立式鋼琴中應(yīng)用即可得到滿意的音色。哈曼尼的l33型號鋼琴就是成功的將這倍頻諧音原理運用到了琴弦無效振動的上下兩個部分，在碼釘與掛弦釘連接的這一段琴弦與有效弦長成1∶1與l∶6之間的過度。這兩部分無效弦長的充分利用必將會對高音區(qū)的聲音產(chǎn)生很大的影響．

三、雙泛音結(jié)構(gòu)應(yīng)用的聲學(xué)基礎(chǔ)理論

琴弦的振動有四種形式：橫振動、縱振動、扭轉(zhuǎn)振動、倍頻振動。從振動學(xué)的角度，通常把音樂聲分為“純音”和“復(fù)合音”兩大類。通過琴弦振動實驗得知，琴弦全段振動的同時，1/2、1/3、l/4等段都在振動（如圖4）．

;而且每段振動產(chǎn)生的音都是諧音，這些諧音的迭加，合成了樂音。由于琴弦的分段振動，產(chǎn)生的復(fù)合音中包括基音和泛音。一般情況下，復(fù)合音中的基音比較強，泛音的能量較弱，只有當(dāng)振動體的質(zhì)量很重，激發(fā)振動體的能量相對較弱（如鋼琴的低音弦振動）．會產(chǎn)生泛音強于基音的情況。鋼琴高音區(qū)琴弦振動恰恰相反，琴弦直徑相對小。若想在基音產(chǎn)生的同時，能夠激發(fā)一系列的泛音出現(xiàn)，就會有利于高音區(qū)音色的豐富多彩．三角鋼琴的高音區(qū)泛音結(jié)構(gòu)的設(shè)計，就是應(yīng)用了音樂聲學(xué)中的琴弦振動的物理現(xiàn)象，琴弦振動頻率與有效弦長的比例關(guān)系。因此，三角鋼琴的高音區(qū)音色無論在音量上還是音色上，都能與其他兩個音區(qū)音色達(dá)到統(tǒng)一平衡的關(guān)系．

四、哈曼尼(Harmony)立式鋼琴高音區(qū)音響的雙泛音裝置

立式鋼琴高音區(qū)音響的雙泛音裝置，是和聲鋼琴廠于2005年獲得的中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局的一項專利。該裝置的設(shè)計，是在三角鋼琴高音區(qū)采用單泛音基礎(chǔ)之上的更進(jìn)一步的創(chuàng)新，使琴弦有效振動發(fā)音時，傳導(dǎo)上下兩段無效振動區(qū)域(這兩段無效振動區(qū)域分別是：三段壓線條壓在弦枕上方弦上所形成的一段弦．另一段是碼釘和下弦枕之間的一段弦）（如圖）。

產(chǎn)生與有效弦長振動頻率諧和的倍頻諧波，形成的是雙泛音的音響效果。這種結(jié)構(gòu)裝置，在制造加工中，要求壓弦條和弦枕的位置具有極高的精確度。因為高音區(qū)的基頻本身就很高，其第三、第五諧音通常就很難聽見，而且聲音衰減的也很快，如果兩段無效振動區(qū)域的琴弦沒有達(dá)到理論上要求的弦長精度，就很難產(chǎn)生實際的雙泛音的音響效果，反而增加了制作工藝的復(fù)雜性。

哈曼尼鋼琴的真空鑄造技術(shù)生產(chǎn)的浮雕式圖案及編碼技術(shù)的鐵板、鑲嵌式鑄件弦枕、V型壓弦條等專利的使用，尤其是鑲嵌式弦枕，在鑄鐵板上鑄出一個凹槽，再鑲嵌一根直徑僅為2.5毫米的不銹鋼條作為弦枕，這樣一旦鋼琴用久了，弦枕磨損了可以換一根，鋼琴的基本尺寸還可以保持不變的．不銹鋼條作為弦枕可以保證弦枕與琴弦交點的一致性。從鑄出的凹槽來看，必須是很精確的，如果凹槽鑄出后變形或者高低不平，那么，弦枕的安裝就會出現(xiàn)問題，甚至整個鑄鐵板都報廢的．通過采用不銹銅錢鑲嵌在鑄件弦枕槽內(nèi)，實現(xiàn)弦枕面的R度統(tǒng)一，保持與各弦之間的接觸點一致，不會因弦枕銹蝕而產(chǎn)生誤差。無疑對立式鋼琴的高音區(qū)采用雙泛音結(jié)構(gòu)裝置提供了制造加工技術(shù)的保障。

結(jié)語

立式鋼琴高音區(qū)雙泛音的這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，在理論層面上給高音區(qū)增加了有效振動頻率的諧和程度，在生產(chǎn)實踐中也提供了我們向完美音色追求的科學(xué)手段，從而形成了鋼琴音響的雙泛音效果，進(jìn)而達(dá)到豐富鋼琴高音區(qū)音色的作用。