汪建新：钢琴结构及其振动发声机理分析4-2钢琴的构造与音板的振型 230220

钢琴结构及其振动发声机理分析4-2钢琴的构造与音板的振型

文/汪建新（内蒙古科技大学机械工程学院）

来源/ 内蒙古科技大学学报

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2钢琴的构造与音板的振型

2.1钢琴的主要结构

现代钢琴十分复杂，可拆出上万个零件，图1所示为典型三角钢琴的主要结构，包括（1）三个踏板，即延音踏板（增音器）、柔音踏板（弱音踏板）、消音踏板；（2）琴键，通常为88个；（3）击弦机，每个琴键配置一套，演奏时通过弦槌敲击琴弦使之振动；（4）钢架，主要用于承受钢琴弦的张力；（5）侧板，装饰与共鸣；（6），（10）木架；（7）码桥，主要作用是向音板传递琴弦的振动激励力，是钢琴能量传递的枢纽，通过码桥把琴弦的振动力传到音板，使音板产生对应的响应并发出声音。合理地确定码桥的动力学参数和几何结构对发挥钢琴的性能有重要意义。（8）音板，连续的弹性木板，一侧带肋，振动时向空气中辐射声波；（9）琴弦，是钢琴发声的关键元件，自由振动时以基频振动为主，琴弦通过码桥对钢琴音板施加特定频率的外力激励，琴弦的一阶横向振动固有频率与琴弦材料、张力、刚度、线密度等因素有关，长度、线密度越大，刚度、张力越小，则固有频率就越低，通常低音弦做成缠绕式，即在一根细弦上紧密缠绕金属丝，既提高了线密度又降低横向刚度，同时张力适中，保证琴弦的横向振动以模态振动为主而不出现波动，对于高音弦，由于振幅低、长度小线密度又不大，振动能量相对较小，在结构上采用多弦并联方式（2根，3根），能在保证频率的前提下向音板提供更多的激振能量，也为弱音控制提供了基础，如图2所示为钢琴的音板与琴弦。

图1  典型三角钢琴的结构原理简图

Fig.1  The structure diagram of a typical grand piano

1.踏板；2.琴键；3.击弦机；4.钢架；5.侧板

6.机架；7.码桥；8.音板；9.琴弦；10.木板

图2  钢琴的音板与琴弦

Fig. 2   The piano soundboard and strings

2.2钢琴音板的振型

力学中，音板属于连续弹性薄板，受到激励后会产生相应振动、理论上，在已知几何、物性、边界和初始条件后，可求出响应的解析解（平面应力问题，目前只在极其简单的边界条件下可获得），音板的振型就是音板可能的振动方式，有无穷多个。音板的自由振动一定是以振型决定的方式进行，这些振型可以同时出现，也可以个别出现，决定于初始条件。音板面积远大于琴弦面积，能与空气产生良好的声阻抗匹配关系，空气中任意点处的声音（声压）可以认为是音板各阶振型分别单独振动时在同一点处产生声压的叠加。

如图3所示为钢琴光板（无码桥、无肋板）的前四阶主振型^﹝2﹞。不同的振动方式可产生不同的声波成份，声波的频率与振型频率相对应。

演奏时，琴弦把自身振动的能量通过码桥传给音板，使音板对应频率的振型得到充分表达，于是就发出了对应频率的声波，所以，钢琴音板是钢琴发声的核心部件。

图3  钢琴音板的前四阶主振型

Fig.3  The previous four order main modes

of piano soundboard

参考文献：

[ 2 ]叶汉文,立式钢琴音板的振动模态与辐射[ D ].广州：华南理工大学硕主论文,2011.