不能全麵了解鋼琴就不能成為高級鋼琴調律師。鋼琴的核心是音響和鍵盤係統。音響的核心是共振係統。共振係統的核心是琴弦和共振板。深入了解琴弦和共振板,才可稱為了解了鋼琴。共振係統在張弦係統的章節已做介紹,這裏著重介紹弦與弦列的相關知識。
一件較為複雜的產品,沒有設計指導思想,沒有精確的設計理論和設計圖紙,沒有材料工藝標準、加工工藝規程和質量保證體係,在我們現代人看來是不可想象的,但是曆史上,很多東西都是我們的先祖們,以其過人的聰明才智,以巧妙的構思,不僅創造發明了在今天看來仍然是“完善”的自動化結構—現代鋼琴就是一例。
即使在今天我們生產現代鋼琴,多數情況下對鋼琴主要部件:鐵板、音板、擊弦機、鍵盤、踏板……不一定作詳細的結構計算,例如鐵板每根杆筋的承重計算,擊弦機每個零件在運動中的受力,即承受力的計算以及比較簡單的弦軸承受剪切力,與弦軸直徑的關係,弦軸長度、軸板孔與軸徑的合理配合等數理計算多被省略,而采用經驗值進行生產,即測量參照仿製成熟產品。甚至在世界各地,鍵盤、擊弦機已成為定型產品,隻根據不同廠家、不同型號鋼琴提供的分檔孔位,即可加工成半成品,供鋼琴廠組裝生產。這種作法應該視為鋼琴生產的成熟和社會化分工的產物,是經濟發展、社會組織優化進步的表現。即使是大型的全能型鋼琴生產廠,除弦列外多數也不對鐵板、擊弦機、鍵盤的各種零件進行各種計算和實驗,而是根據成熟型號的琴進行改製,但是作為高級調律師對弦和弦列的有關知識則必須有所了解。
鋼琴的設計要求與其他產品有相通之處,即選用材料方便,材質要求適當,加工簡便易行,技術品質優良,維修簡便……。其特殊性是鋼琴的聲學品質、演奏性能。
鋼琴雖屬藝術產品,但它與提琴不同,提琴有的價值高達百萬美元,而便宜的隻需幾百元人民幣。鋼琴的價格,名牌與非名牌,除特殊因素外價差最大也就十幾倍。這就給鋼琴設計提出了“經濟、適度”的前提,對材料的選擇、加工的工藝方法和精度的要求,應以適用為度,而不是越優良越好,除非有特殊要求,采用特殊材料、特殊工藝製作。
鋼琴的使用壽命與揚琴等產品不同,其“黃金使用期”可高達二、三十年,在精心保養、非專業的鋼琴家使用的情況下,可以使用七、八十年,百年以上的古董鋼琴如今仍不鮮見。因此在製造鋼琴時,選用材料就不能不考慮到使用壽命因素。在塑料應用極為廣泛的今天,在鋼琴上使用塑料等人工合成材料仍需慎重。多數調律師仍持懷疑態度。
在擊弦機、鍵盤係統已非常成熟的時期,仍去花費時間、精力、花費金錢去設計計算擊弦機、鍵盤係統,似無必要。但擊弦機鍵盤係統的有關數據,即使你去加工廠購買這些係統,擊弦機、鍵盤加工廠也會向你索要一些數據,所以了解這一係統的設計數據是必要的。
通常立式鋼琴擊弦機鍵盤係統分為大、中、小三種規格,而三種規格適應130以上(大型)、120以上(中型)、115以下(小型)的立式鋼琴。這三種鋼琴彈奏係統的不同主要體現在鍵杆長度和聯動器及頂杆長度的差別,轉擊器和製音係統則差別不大。
三角琴的彈奏係統大、中、小型號的區別主要表現在鍵杆的長度,製音器的數量和大小以及槌柄長度的微小差別上。
鋼琴的設計工作主要在共鳴盤和外殼的相關尺寸和造型上。鋼琴每個型號都有不同的相關尺寸和數據,同一種型號的外殼也會有不同樣式或有不同的相關尺寸和不同的加工工藝方法。
對於鋼琴設計師而言,外殼的設計應該是比較簡單的,它與家具的設計有很多共通之處,但是較大的鋼琴生產廠都是流水線式組裝生產,外殼的標準化程度和加工精度都是十分重要的。在生產實踐中,設計人員在外殼加工標準化和配合精度方麵所花費的精力往往大於共鳴盤的設計。但是共鳴盤的設計中卻是鋼琴的核心,不了解共鳴盤的結構、工作原理即可認為不了解鋼琴技術,所以,作為技師、高級技師就必須掌握共鳴盤的知識,作為深入了解鋼琴的基礎。
共鳴盤又稱張弦係統,它是由弦列、鐵板、音板、背架四部分組成。
弦列是整架鋼琴的設計基礎,弦長決定了鋼琴規格的大小。設計不同型號的琴,首先要設計出弦列。
弦列涉及琴弦長度、弦的直徑、弦的張力、弦的平麵布置等。在弦列設計中,弦的振動頻率是固定的常數,弦的張力也是在一個小的範圍內變化的數據(與弦的直徑有關),所以通常是選定了弦的長度,確定弦的張力和頻率然後帶入公式計算弦的直徑。
共鳴盤設計的基礎條件是了解弦、音板、弦馬的特性,雖然從成熟的鋼琴設計中,可以測到相關的數據,如音板的材質、音板的厚度、音板的結構等,再如弦長、弦的直徑、弦馬的幾何尺寸、材質……,從而依樣畫葫蘆地仿製就比較容易,且這種作法比較普遍,有時效果也並不錯,但是了解弦、音板、弦馬的設計原理是必要的。因為仿製中出現問題往往不知從何處著手去改進就是單純模仿的弊端。
第一節 弦列的設計
琴弦的特性:“細長柔順、勁度不明顯、密度均勻、兩端有支點,振動頻率取決於張力,在外力激發的條件下可以振動的弦線。”這是從物理聲學觀點給琴弦下的定義。隻要符合上述條件,不管它是絲製的,腸衣的、金屬的、尼龍製成的,其截麵是圓的、扁的、六角的,隻要符合以上條件就是琴弦。
弦的細長柔順是其振動的必要條件,其中細長是一個相對的概念。琴弦如果不設兩個支點(弦枕、弦馬)就不可能振動。將粗細、長短不等的琴弦按規律排列,使其能滿足從第1號鍵的27.5Hz,到88鍵4186Hz的音高要求,稱為弦列。
第二節 弦的基本特征
樂器的振動體,主要有弦、棒、簧、板、膜、管(空氣柱)6種(不含電聲樂器)。
弦振動在樂器中應用極廣,在現代樂器分類學中“弦鳴樂器”是一個大的類群。形製、構造、弦數不同的各種弦樂器廣布於世界的各地各民族中。
為了解弦,首先要了解實用樂器的弦的外部特征及內在的物理性質。以小提琴弦為例,首先看到的是它那細長的形體,繼之會發現它比較柔軟隨順;如果把張緊的弦的中段按定,弦便會產生曲折變形,一旦將手指鬆開,弦便會恢複原有狀態,這說明弦並非絕對柔順而有一定剛性(彈性勁度)。如果捏住其一端,敲擊、摩擦或撥動它,不會發出聲音來。要使它振動發音必須在兩端設置牢固的支撐。為了揭示弦作為一種區別於棒、簧、板、膜、管(空氣柱)的振動體的本質特征,人們從聲學物理角度給它下了一個相對縝密而嚴謹的定義:
弦是細長而柔順、勁度不明顯、振動取決於張力、密度均勻的弦線。弦的振動必須有兩個支點,以確定其有效弦長。
鼓類樂器的振動體——鼓麵,也很柔順,勁度不明顯,同樣是張緊時才能激發出音響,但其形狀卻不是細長的,而是薄平的片狀體,這種振動體我們稱其為“膜”。
然而,我們所能觀察和接觸到的細長的振動體並非都是弦,如果其勁度在振動中起主導作用,隻要給它兩個支點或固定其一端,不必張緊形成張力,敲擊時就能發出樂音,這種振動體雖然是細長的,但由於它不柔順,且勁度過大,也無需張緊,因此它不是弦,而是棒。
還應指出,一根細長而柔順的彈性物體,都會有一定的勁度,或者說柔順性、剛性兼而有之。所以通常把比較柔軟的弦,稱作“柔順弦”;而把不太柔軟的弦稱作“強勁弦”。比較而言,鋼琴的弦偏於強勁,而小提琴、二胡的弦更趨柔順。
如何來判定一個細長的發音體是弦還是棒,關鍵要看它正常振動發音時,需不需要把它拉緊。也就是說,它的振動、發音是否取決於張力。如果必須拉緊它才能正常發音,那它是弦;否則,就是棒。
第三節 理想弦的頻率表達式
據資料記載,早在公元前6世紀,古希臘的畢達哥拉斯(Pythagoras)就對振動的弦進行了較為係統的研究,而最為成功的研究是由梅森(Mersenne)於17世紀完成的。梅森總結出四條基本規律:
①弦振動的頻率與弦長成反比;
②弦振動的頻率與弦張力的平方根成正比;
③弦振動的頻率與弦直徑成反比;
④弦振動的頻率與弦的質量密度的平方根成反比。
後來,引入了線密度(單位長度的質量)這個物理量,於是就把一根粗細均勻、非常柔順的接近理想模型的弦的頻率用下式來表達
由上式可看出:頻率與弦長成反比,頻率與張力的平方根成正比,頻率與線密度的平方根成反比。
顯然,改變弦長是改變頻率的最便捷的途徑。這一點為許多弦樂器所采用。
需要特別指出的是,用上式計算出的結果,與實際情況還是有一些出入的。因為樂器中實際應用的弦並非完全柔順,而是有一定剛性的,其振動也並非完全是受張力作用。這個公式有助於我們對弦振動問題的認識和理解。