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打击乐器的声学原理

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打击乐器的声学原理 乐 器 M u si c aI I II sl r um eiil 打 击 乐 器 日 声 学 原 理 编译/程伊兵 (中国音乐学院,北京 100101) 【摘 要】 介绍了打击乐器的声学原理。 【关键词】 鼓;键盘打击乐器;铙钹 与锣;钢鼓;钟铃 The Acoustics Principle of Percussion Instruments CHENG Yi—bing (china conservatory,Beijing 100101,China) [Abstract]T...

打击乐器的声学原理
乐 器 M u si c aI I II sl r um eiil 打 击 乐 器 日 声 学 原 理 编译/程伊兵 (中国音乐学院,北京 100101) 【摘 要】 介绍了打击乐器的声学原理。 【关键词】 鼓;键盘打击乐器;铙钹 与锣;钢鼓;钟铃 The Acoustics Principle of Percussion Instruments CHENG Yi—bing (china conservatory,Beijing 100101,China) [Abstract]The acoustics principle ofpercussion instruments was introduced in the paper [Key Words]Drum;Mallet instrument;Cymbals and gong;Steel drum;Bell 打击乐器的振动体通常采用以下几种基本方式:棒、 膜、盘、气柱或气室 (air chamber)。在这几种方式中, 除了气柱方式外,其他成份中振动模式的频率不是和谐相 关,因此,打击乐器以它们声音的不谐和分音为特征。此 外,打击乐器的另一个特点是其声音振幅的常量变化,触 发时迅速上升且不像大部分弦乐和管乐器那样抵达一个持 续状态,而是立即开始衰减。 1鼓 (Drums) 鼓可以说是人类最早的乐器 (人声除外)。除了一些 鼓如半球形铜鼓 (kettledrum)、塔布拉鼓 (tabl a)与火 箭筒鼓 (boobam)可以表现出强音高感觉外,而其他鼓则 无法实现。低音鼓 (bass drum)、军鼓 (snare drum)、 次中音鼓 (tenor drum)、嗵嗵鼓 (tom—tom)、邦戈 (bongo)、康加 (conga)等许多非洲与东亚地区的鼓都属 于后者。 按照振动系统的差异,鼓可以被分为三类:单振膜蒙 于封闭气室 (如半球形铜鼓);单振膜的两面都接触空气 (如一些嗵嗵鼓和康加鼓 );双面蒙膜的密闭气室 (如低 音鼓和军鼓)。 理想振膜的12种振动模式如图1所示。它们的频率取决 于直径、张力和每单位面积的质量。尽管真鼓膜的一般模 式频率或许与那些理想振膜十分不同,改变模式频率的主 要因素为气团压力负荷 (air mass loading)、振膜硬度及鼓 内的空气压力 (如果有任何一个的话)。总的来说 ,气压 负荷 (air loading)降低形式上的频率,而其他两个则提升 它们。在薄振膜中,气压负荷通常占支配地位。 67 2010年第五期 总第45期 月刊 No.5,2010 monthly No.45 (1)一个经仔细调校的半球形铜鼓,可以发出带两 个或更多谐和泛音的强主音。19世纪,物理学家劳德·雷 利 (Lord Rayleigh)验证主音来自模式 (1,1) (频点为 f1),并且识别出主音上的纯五度 (f/fl=1.50)、大七度 (f/fl=1.88)和八度 (f/fl=2.O0)泛音。他正确地识别了 这些泛音分别源自模式 (2,1)、 (3,1)和 (1,2), 在理想振膜的情况下,其频率应该是模式 (1,1)的1.34、 1.6和1.83倍。现代实验证实了雷利的结论。 气团压力负荷对低频模式的降低 比那些更高频率的 多,是建立半球形铜鼓谐和关系的主要原因。其他作用如 振膜硬度及铜鼓尺寸、形状,仅可微调频率,虽然它们可 能对声音的衰减速率有相当的影响。 (2)与半球形铜鼓相比较 ,印度鼓如塔布拉鼓和木丹 加鼓 (mrdangam)谐和模式的校准以另外一种方式进行。 在这些鼓中,由于它们的小振膜,气团压力负荷的作用非 常小,并且根据需要的量,太多层黑胶体 (black paste) 被熟练地应用于装填鼓皮。 物理学家拉曼 (C.V Raman)研究了塔布拉鼓的声学属 性,正确验明五个谐和分音源自9个普通振动模式,其中一 些拥有相同频率。基频来自模式 (0,1);第二泛音来自 模式 (1,1);模式 (2,1)和 (0,2)提供第三泛音; 模式 (3,1)和 (1,2)供给第四泛音;模式 (4,1)、 (0,3)和 (2,2)贡献第五泛音。 (3)在双面蒙皮的鼓中,如军鼓和低音鼓,两面振动 间存在着相当多的耦合,特别在低频点上。耦合机械上通 过鼓壳 ,声学上通过被包围的空气发生 ,导致模式对的形 成。当鼓被放置在架子上时,会发生支撑结构方式的进一 步机械耦合。 2键黜打l 乐器 (Mallet instruments) 键盘类打 击乐器有 马林 巴 (M a ri m b a) 、木 琴 (xyloPhOne)、颤音琴 (vib raphOne)和钟琴 (glockenspie1),它们通过校准的木板条、金属或合成材 料的振动发音。这些材料可以通过弯曲 (横向模式)、扭 曲 (扭转模式)或拉伸 (纵向模式)而振动。虽然,统一 横截面的板条或棒杆的纵向模式与扭转模式拥有近乎和谐 68 的频率,而横向模式则相当不谐和。由于键盘打击乐器主 要采用横向模式,所以,必须通过对板条或棒杆的适当修 整完成谐和调音。 板条或棒杆的横向振动模式取决于末端的状态。一般 可以考虑的有自由、简单支撑 (用铰链)和夹紧三种不同 的末端状态。这几种末端状态共有六种不同组合 ,而每一 种组合都会产生一套不同的振动模式。 2.1屿林 马林巴琴板下方的形状为深拱形,特别是在低音区。 拱形的作用可以表现在减少获得低音所需的板条长度,以 及容许校准泛音 (第一泛音通常被调为高于基频两个八 度)两个方面。 马 林 巴的 共 鸣 器 是 被 调 校 成 相 应 琴 板 基 谐 模 (fundamental mode)的柱管。一边封闭、一边开口的柱管 振动于其声学长度是声音波形的四分之一时。管状共振器 的作用是强调基频,同时也增大响度,是以缩短衰减时间 为代价的。 2.2小琴 木琴琴板下方的形状同样为拱形,但其弧度没有马林 巴那样深,因为第一泛音被调校为基频的上十二度 (基频 的三倍)。由于一端封闭的管也能以三倍基频共振,木琴 琴板加强了基频及其上十二度分音。泛音加强了,加之演 奏用的硬槌,带给木琴比马林巴更鲜亮的声音。 2.3颤爵琴 颤音琴拥有深拱板,因此,第一泛音与马林巴一样 比基频高两个八度。颤音琴的铝制琴板似乎拥有比马林巴 或木琴的木制或合成材料琴板长得多的衰减时间,所以, “颤琴 (vibes)”装备有踏板操作的止音器。 颤音琴最独特的功能是由位于共鸣器上方,交替打 开、关闭共鸣管,被称作 “叶轮 (vane)”的电动碟片带来 的颤音。由这些转动叶轮产生的颤动由相当显著的振幅波 动 (强度颤动)和几乎觉察不到的音高变化 (音高颤动) 组成。 2.4钟琴 排钟 (Chimes)或管钟 (tubular bells)通常由直径3 cm ~ 4 cm的铜管构成。虽然它们是管状的,通过槌击激励的 振动模式本质上是具有两自由端的条或板。它具有一个有 趣的声学特性,排钟并没有所听到敲击音高频点的,甚至 没有与之接近的振动模式。看来模式4、5和6决定敲击音。 这些模式接近2:3:4的比例关系 ,所以,人耳将它们视为比 方式4低一个八度的、不存在的基频之泛音。 3饶钹 :j锣(Cymbals and gongs) 圆盘的振动模式与那些图l中所示的圆振膜相仿,但频 率却完全不同。通过全息干涉测量,观测到管弦乐队铙钹 的100个方式。 铙钹在第一次敲击后的0.2 s期间,700 Hz以下的音 量呈高速衰减;这显然归咎于能量向高频模式的转化。 在3 kHz~ 5 kHz范围内的声音能量,带给铙钹 “闪烁 (shimmer)”或余音,敲击后0.05 S~0.1 s达到峰值,且可 能是铙钹声谱中最重要的特征。 锣在东亚和西方音乐中扮演着重要角色。管弦乐队中 使用的锣直径通常为0.5 m~ 1 m,铜铸、边深带突出的脐 (dome)。当它们被厚实的软槌敲击中心附近时,声音相 迟缓地增加并持续很长一段时间。 平锣 (tam—tam)看起来与锣相像,但它没有锣脐,边 比锣窄,金属更薄。平锣的声音与锣的声音相比,缺少明 确音高;其声音可被认为介乎那些锣和铙钹声音之间。 4钢鼓 (Steel drums) 钢鼓或钢盘由55加仑汽油桶制成。制作钢鼓的第一步 是将汽油桶捶打成浅盆状;然后用钉冲 (nail punch)刻出 定义每个音符区域的凹槽图案,范围可以从单个高音钢鼓 的28个到仅有3个的低音钢盘。 现代钢鼓乐队跨越5个八度,大约从G ~g⋯。熟练的 钢盘制作师至少为每个音符调校一个基频的泛音振动模式 (通常为八度),而且如果可能,还可以调校出第三或第 四泛音的其他模式。钢鼓音符声谱中的额外泛音是附近音 符共振和音符自身非正弦运动的结果。 5,fII'/铃 (Bells) 当用铃舌敲击日寸,铃铛 以复杂的方式振动 ,可以用波 乐 器 HI1 Si C al l II Slf Um e nl 节经线 (nodal meridian)代替波节直径 (nodal diameter), 用类似那些圆盘的振动模式来描述。 手铃 (Handbel1)比教堂钟或组钟薄且轻得多。它们没 有加厚的声唇 (soundbow),并且它们采用相 软的铃舌 以得到精致的声音。近年来,手铃团 (handbell choir)在学 校和教堂变得很流行;仅美国估计就有40 000个手铃团。 一 般手铃的第-,0第二振动模式频率比被调校为3:1。 每种模式都辐射双频分音,因此,手铃的声谱包含基频、 第二泛音、第三和第六泛音。 嚼 (编辑 孟凡颖) 注:本文根据 《格罗夫音乐辞典》中声学词 条部 分的内容 编译而成 。 注释 : ① 即位于鼓皮上同心圆形的西雅希 (syahi)层 !:!至::墨!! 茎i 69 E RTRlNH£N1 T[[HND【06v l n , 1
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