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[综合讨论] 谈谈关于乐器的发声

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发表于 2021-4-7 13:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

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编者按:
推荐一位刚上大学的同学写的科普文章,学历不是问题,兴趣和认真的态度才决定了你写的内容。

许多人都会吹口哨,但大家知道口哨是如何发出声音的吗?不会吹口哨的人吹出的呼呼的气流声和会吹口哨的人吹出的美妙乐声,这二者之间的差距是如何形成的呢?

口哨属于广义的气鸣乐器,即借助气流发声的乐器。同属气鸣乐器的还有各种管(单簧管,双簧管,萨克斯管等),各种号(大号,小号,长号,圆号等),各种笛(长笛,短笛,竖笛,风笛等),某些琴(口琴,风琴,口风琴,管风琴等),以及笙、埙、唢呐之类的乐器,顺便一说,人的喉咙也是气鸣乐器。我们可以看出它们都有两个共同点:

  · 都需要用气流吹动一个豁口(如笛子),或一个可以振动的簧片(如黑管)来最初产生乐音;

  · 都有一个有开口的空腔,且通常是圆柱体,来调制和扩大乐音。

在钢琴和小提琴之类的乐器中也有类似的空腔存在,但它们只能扩大音量,改变音色;而在大多数的气鸣乐器中,空腔不仅有这些作用,还有着决定着音高(频率)的重要使命。

我们看到,气鸣乐器是由一个不能改变形体,不能操作的小部件(边棱或簧片)最初产生乐音,激励空腔内的空气振动发声的。我们管这个小部件叫做激励声源,管这个空腔叫做共振体。

根据激励声源的特点,可以把气鸣乐器分为两类:边棱音乐器(边棱激励)和簧振动乐器(簧片激励)。

边棱音乐器
我们先讲边棱音乐器。所谓边棱音,就是气流吹过边边棱棱所发出的声音。具体的发声原理如图所示。
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当一喷嘴以一定角度对着一边棱以一定速度喷出平整的气流,且边棱一端固定一端不固定(在图中为右端固定,左端不固定)时,边棱的上下两边就会交错产生旋转方向相反的涡流,在交错的涡流的作用下,边棱以一固定频率上下振动,发出的声音接近纯音。

我们来具体解释一下:
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在某一瞬间,边棱的前部尖端如图所示。在边棱的上侧偏后的位置有逆时针的涡旋M,在边棱下侧偏前的位置有顺时针的涡旋A。我们知道“流速越快,压强越小”的原理,气体在涡旋中快速旋转,而涡旋外部的气体几乎静止,因而两个涡旋相对外部都是低压区域,都对边棱有吸引作用。由于左下侧涡旋产生的吸引力的力臂更大,边棱受它影响更明显,因此从灰色的平衡位置偏移到了黑色的位置(本图偏移程度做了夸张)。此时边棱向下弯曲,喷嘴喷出的大部分气流正对边棱上侧面,在B位置上便形成了新一个涡流。

接下来,涡流A随气流向右移动,涡流B逐渐加强,边棱受到的合吸引力向上。也由于边棱偏离平衡位置所受的回复力的作用,边棱开始向上运动并移动到了下图的位置。
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此时的现象与前面相同,边棱所处的位置在平衡位置上侧,喷嘴喷出的更多气流对准边棱下侧面,于是便在C位置上形成新涡流,这便又回到前一幅图的情况了。随着一个个涡流不断地在边棱的上下表面交错生成,向后移动和脱离,边棱不断振动。当这种受迫振动的频率与边棱振动的固有频率相契合时,振动被大大加强,这时候便会发出接近纯音的所谓边棱音。实际情况下边棱的振动没有图中的那么明显,仅仅是微弱的振动而已,但微弱振动的产生便可以促使涡旋的相继生成,维持振动。
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笛子的吹孔边缘锋利,产生边棱音

在笛子等乐器中的边棱为正对气流尖锐物体,如上图所示,但其他形状的边棱也可以产生边棱音。比如吹瓶子时,瓶口边沿与人口吹出的气流垂直,也产生了边棱音,如下图。
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吹瓶子时瓶口局部

吹口哨时,舌根上抬,在口腔内部形成了一股平整而且速度相对较快的气流,吹向嘬紧的嘴唇,并在嘴唇的褶皱处产生了边棱音。由于边棱音的特点,要是口腔内气流的过于散乱,角度不对,或用力过大/过小导致气流流速过快/过慢,都只能吹出呼呼风声。吸气也可以吹出口哨,叫做口哨的内吸法。原理同吹气(外吹法)相同,只是气流方向相反。总之,有平整的气流以一定速度和角度吹向边棱,是边棱音产生的前提。

由于边棱音的这些特点,在演奏笛子、埙这类乐器的时候,演奏者的口型、吹气的角度和力度等个人因素都会不同程度地影响乐器的音色。因此在演奏这些乐器时,吹出更美丽的音色就需要演奏技巧了。

簧振动乐器
说完了边棱音产生的原理,我们再来说一下簧振动乐器簧片振动的原理。以单簧管为例,如图。
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上图为单簧管的吹嘴的截面图。红色部分 (facing) 是哨片较柔软和薄的部分,随着气体吹入不断上下振动;绿色部分 (table) 是较硬和厚的部分,被固定在吹嘴上。空气吹入时,哨片上方形成气流,压强减小,使哨片向上收缩,关闭开口。开口关闭后气流消失,压强恢复,哨片又回复到原位置。空气持续吹入时,哨片便连续地上下振动,产生哨音。
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单簧管的吹嘴与哨片

拥有簧片的乐器根据簧片数量和形制的不同,分为单簧乐器(只有一个簧片,如单簧管,萨克斯),复簧乐器(有多个簧片,如双簧管,唢呐),自由簧乐器(有多个簧片,且每个簧片都有自己专属的管腔,如笙),以及通过吹嘴的特殊设计,使演奏者的嘴唇充当簧片振动的唇簧乐器(如小号,圆号)。这些乐器的发声原理较为类似,都与前面举例的单簧管基本相同,因此就不一一赘述了。

共振体
好了,说完了激励声源,让我们说说共振体吧。我们注意到不管是边棱音乐器,还是簧振动乐器,一个圆柱体的空腔总是必须的。这个空腔的目的,就是产生驻波。驻波,顾名思义,就是停滞不前的波。与其相对的是行波,即行进的波。我们常常见到的是行波,它们是有波速的,保持自己的波形并向一个方向行进;而驻波偏偏没有波速,波形却周期性变化。驻波是频率相同,传播方向相反的两列行波相遇产生的。
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驻波的形成

乐器的管腔通常一端开启,一端闭合。在闭合的一端,由激励声源产生的行波发生反射,反射后传播方向逆转,与反射前的行波相遇便形成了管中驻波。驻波的波长由管中空气柱的长度决定,笛子的音孔,铜管乐器的活塞,都是用来调节空气柱长度的;吹瓶子时改变瓶中液面高度,吹口哨时改变口腔形状也起到同样的作用。一般都是:空气柱越长,驻波频率越低,音调也越低;空气柱越短,驻波频率越高,音调也越高。

驻波由演奏者控制,而边棱音和簧音却是固定不变的,因此这二者的频率往往是不相同的。实际上,边棱音和簧音单独发声的频率是乐器真正发出的声音的频率的1~10倍。因此,在吹奏的过程中,边棱/簧片的振动需要与驻波相互协调,最终频率归于一致,这个过程叫做耦合。虽然名义上二者相互协调,但实际上驻波要比边棱音和簧音强且稳定很多,因而边棱和簧片实际上是被迫以驻波的频率振动,最终乐器发出的声音也与驻波频率相同。

刚才说到行波在乐器闭口端反射形成驻波,而驻波在乐器开口端激发静止的空气产生行波,行波向四面八方传播开来,这便才产生我们听到的乐音。如何,看似简单的乐器的发音原理,也是够复杂的吧?

参考文献:

[1] 邸惠芳,吴胜举,李凤鸣,许昊.低速边棱音的振动特征,2014

[2] 马惠英,徐守宪.管中的驻波:管乐器和簧乐器——物理与音乐之三,物理通报,2004.4

除上述文献外,本文还参考了维基百科,百度百科的相关词条,恕不列出

来源:管窥物理公众号(ID:agrainofphysics),作者:陈怡新。

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