汪建新：钢琴结构及其振动发声机理分析4-4 音板的受力与振动发声 230306

钢琴结构及其振动发声机理分析4-4 音板的受力与振动发声

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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4 音板的受力与振动发声

通过码桥的受力分析知，当琴弦在竖直平面内横向振动时，钢琴音板将受到由码桥传给它的垂直力和纵向力矩（作用在纵向平面内）的共同激励，可激发出更多的振型从而产生更丰富的谐音。码桥对琴弦的振动信号具有一定的“改编”作用。

演奏时，手指通过按下琴键带动弦槌敲击琴弦，琴弦受到一个横向位移脉冲（力脉冲）激励，琴弦产生张力脉冲T（t），这一脉冲通过码桥作用到音板上，一方面使音板受到一个大小与T（t）成比例垂直脉冲力激励，另一方面还受到一个脉冲力矩激励。如前所述，虽然音板存在无穷多个相互独立的主振型，但不一定能够全部被激发。从T（t）的频谱中可看出，对音板来说，只有那些落在T（t）频谱主瓣频率范围内固有频率所对应的振型才可能被激发，并得到表达。因为只有与振型频率一致或相近的激振力才能在该振型上做有用功（主振型正交性的物理意义），激发出对应的振动，振幅的大小决定于对应激振力分量的大小。若落在T（t）频谱主瓣频率范围内的音板固有频率不止一个，则所有对应的主振动都将被同时激发，产生对应的分音。对于那些落在T（t）频谱主瓣频率范围以外固有频率所对应的振型，虽然也能被激发，但响应很小，因为对应激振力成份能量不足。离主瓣频率越远的振型，表达越微弱。至于脉冲力矩激励引起的振动，原理上与T（t）脉冲激励机制类似，也能激发出相应的响应。

在弦槌打击阶段，音板还受到由琴弦纵向振动的引起的激励，如前所述其张力变化规律呈锯齿形，同样可以分析其频谱，把握激励特征，这里不再赘述。

当T（t）脉冲结束后，由此激励的琴弦及音板的高阶振动快速衰减（包括摩擦力激励的响应）。琴弦也快速进人到以其基频为主的、在竖直平面内的阻尼自由横向振动状态，由于琴弦的惯性力作用，会对音板施加脉动拉力激励。琴弦振动一周，产生两次脉动拉力。对音板来说，只有与琴弦2倍基频相等或相近频率对应的振型才得到持续激励并发音，直到琴弦停止振动为止。对音板而言这一过程属于稳态强迫振动过程，响应频率与激励频率相同。

正是由于音板特有的振型分布和共鸣箱结构特征以及独特的演奏方法决定了钢琴固有的音色，使其听起来更像钢琴。同一支旋律，同一架钢琴，由不同的演奏家弹奏，听起来的效果不尽相同。不同的弹击力度、打击时间决定了T（t）脉冲的高度和宽度，也决定了琴弦振幅的大小（振动强度）。T（t）脉冲越窄，其频谱就越宽，落入到主瓣中的音板固有频率就越多，得到激发的振型也越多，产生的分音也越丰富。同样，T（t）脉冲的强度越大（高度大），副瓣的高度也加大，能量提高，位于副瓣以及副瓣以外音板固有频率对应的振型也将得到激发，产生更多的分音，由此便形成了不同演奏家的个人风格。

弦乐器的种类很多，如提琴、二胡、马头琴等，正是它们独特的音板箱结构和整体形状（共鸣箱）决定了其固有的音色。马头琴听起来就是马头琴，绝不是二胡。

扬声器并非乐器，但可发出任何乐器的声音，原理不同。