点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:钢琴弹出的声音怎么这么好听啊,离不开这四大件!
首页> 光明科普云> 图文 > 正文

钢琴弹出的声音怎么这么好听啊,离不开这四大件!

来源:蝌蚪五线谱2023-03-07 19:47

  一提到钢琴,不少曾饱受钢琴补习班“折磨”的同学恐怕会心里发怵,而邻居们估计也是在噪音的摧残下苦不堪言。

  在苦练钢琴技艺的同时,大家有没有思考过,钢琴是如何发出那些动听琴音的呢?

  作为一种源于西方的键盘乐器,钢琴具有音域宽广、音量宏大、音色优美和表现力丰富等特点,巴赫、莫扎特、贝多芬、舒伯特、李斯特等几乎所有的西方近现代著名音乐家都曾专门为钢琴谱写过乐曲,因此钢琴被誉为“乐器之王”。

  那么在那庞大的箱体里到底藏有哪些秘密,让它得以获此殊荣?

  常见的立式钢琴(左)和卧式钢琴(右)

  图源:某电商平台

  其实,钢琴发声的原理并不神秘,与我们身边所有物体得以发出声音的原理都是一样的,那就是振动发声。

  想象一下:大风天气下的旗杆顶端会来回摇摆;一根弹簧被拉长并释放后会不断地来回伸缩;鼓面会在鼓槌的敲击下上下起伏…… 这些现象都有着同一个特点,那就是物体在某一位置的附近做往复运动,这种现象被称为机械振动(简称振动),人教版高中物理选修一就讲到了这个知识点。

  不同物体振动的速度是不同的,如蜂鸟振翅的速度就明显高于大雁的振翅速度,这种振动的速度通常以振动频率这一概念表示,具体是指物体在单位时间内振动的次数,单位是赫兹(Hz)。

  科学家们研究发现,人耳的听力范围是20-20000赫兹,当物体振动的频率达到这一范围时,就可以被耳部的鼓膜以及大脑中的听觉神经感受到,我们这才会认为某一物体发出了声音。

  当声源振动较为柔和时,我们会觉得动听、悦耳;而当声源振动激烈时,我们便会觉得刺耳。

  许多小动物的听力范围要比我们人类宽得多,所以它们的听力非常灵敏,可以听到一些我们无法感知到的次声波和超声波。

  钢琴是非常精密的装置,主要由外壳、键盘机械、琴弦、音板和踏板等部分组成,所有零件加起来足足有上千个。

  其中,键盘机械、琴弦和音板是钢琴得以发出悦耳琴音的三大武器。

  钢琴的主要结构,图源:搜狐

  对,没错,钢琴内部也安装有许多琴弦,琴音最初正是来自于琴弦的振动发声。

  只不过,这些琴弦都处于紧绷状态,内部存在着巨大的张力,所有琴弦加起来足有15-20吨,所以我们无法像弹吉他那样用手指拨动这些琴弦。

  而键盘机械的作用,就是通过杠杆原理,使我们只需要轻轻按下琴键,便可以使琴弦振动起来。所以,键盘机械是非常重要的部件,被称为钢琴的“心脏”。

  键盘机械和与其连接的琴弦,图源:知乎

  一套键盘机械主要由诸多琴键以及相同数量的击弦机组成。其中击弦机主要由联动杠杆、转击器、弦槌、止音杠杆等诸多部件组成,通过弦槌敲击琴弦的方式使其振动发声。

  单个击弦机图示,图源见水印

  当我们按下琴键时,与琴键相连的击弦机内部的一系列杠杆机构开始运动,使末端的弦槌得以有力地敲击对应的琴弦,使琴弦开始振动并发出声音。

  当琴键处于按压状态时,对应的琴音可以持续发声,这是由于击弦机内安装有特制的擒纵机构,可以保证弦槌在敲击琴弦一次后便立即脱离接触,不影响琴弦后续的自由振动。

  当我们松开琴键时,琴键回弹,击弦机上的制音头立即与琴弦接触,使其迅速停止振动,不再发出声响。这种及时制音的装置可以使琴音听起来清脆、利落。下面的动图展现了击弦机敲击琴弦与制音的过程。

  击弦机的工作过程,图源:360doc

  钢琴的琴弦长短、粗细不一,它们所发出的声音也就各具特色。琴弦越短越细,其振动频率越高,琴音越显得尖细;而琴弦越长越粗,则振动频率越低,琴音就越显得低沉。

  我们按压琴键的力度也可以控制琴音的音色,这是由于按压力度可以控制弦槌敲击琴弦的速度,进而影响琴音的音色。

  优秀的钢琴家一般都能够熟练掌握键盘机械系统的构造和基本原理,在调音时可以通过对击弦机的精细调整来使钢琴的发声效果达到最佳状态。

  不过,对于公开场合演奏而言,仅凭琴弦发声的音量是远远不够的。为此,钢琴内部还额外安装了特制的音板,利用共振的原理来放大琴弦的声音。

  共振是一个与物体固有频率相关的物理概念,高中物理课本中就曾讲过,一个物体处于自由振动状态时的频率被称为固有频率,这种特性与外界作用无关,只与物体的自身性质有关。

  换句话说,就是每一个物体都有自身独特的振动节奏。当某个物体所受到外力的节奏和它自身的振动节奏相同时,这个物体便会出现相当明显的振动。

  共振在我们的生活中非常普遍,马路边的建筑物玻璃会随汽车的经过而轻轻晃动、海螺壳里会发出类似海浪声的轰鸣以及轻吹小号和笛子便可以发出响亮声音等,都属于共振现象。

  钢琴的音板由很薄的木板制成,其质地均匀,略微呈弧形,且具有良好的弹性。当钢琴琴弦振动时,旁边的音板便会由于共振的作用而同步振动起来。由于音板的表面积较大,振动幅度远超琴弦,因此可以将琴弦发出的声音均匀地向四周空气传播,从而起到放大声音的作用。

  不难看出,钢琴最终发出的琴声质量好坏与音板的扩音性能有着密切的关系。人们研究发现,音板的声学性能不仅与其外形、厚度和干燥程度有关,还与木材密度、纤维长度、纤维走向以及木材细胞的微观构造等多种因素有关。

  目前国内外高品质的钢琴厂家均采用云杉或鱼鳞松木材制造实木音板,以获得较高的琴音品质。

  正在制作的音板,图源:搜狐

  钢琴上一般还安装了左、中、右三个踏板,它们同样可以影响琴音的效果,是一种类似于游戏外挂的存在。

  踩下左踏板,可以将琴音减弱三分之一,称为弱音踏板;踩下右踏板,可以使琴音在松开琴键后也不会立即停止,称为延音踏板。中踏板则在不同钢琴中有不同的功能,如有的可以大幅降低钢琴音量,方便我们练习;有的则可以使特定琴键的琴音获得延音效果。

  钢琴的踏板

  踏板的灵活运用可以对钢琴演奏起到画龙点睛的效果,“钢琴诗人”肖邦就以精湛的踏板技巧著称,创造出了许多优美的旋律。

  这下我们知道了,钢琴的发声原理并不神秘,键盘是钢琴的“手指”,用来敲动琴弦;琴弦是钢琴的“嗓门”,用来振动发声;音板则是钢琴的“扩音器”,用来高质量地传播琴音。

  当然,想要弹出美妙的乐曲,还需要一个富有创造力的“大脑”,你有么?

  来源:soogif

  参考文献:

  1. 高中物理选修一,义务教育教科书,人民教育出版社,2007.

  2. 张致和,刘金寿,王彦亮等. 钢琴学习使用指南[M]. 沈阳:辽宁教育出版社, 1994.02.

  END

  作者:崔天宁,兵器工业203研究所工程师

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 广西贺州“空心村”变身文旅打卡地

  • 山东临沂:民众畅游曹洼大集

独家策划

推荐阅读
一些不法商家钻监管漏洞,推出所谓“智驾神器”规避车辆安全监控,不仅严重威胁道路交通安全,更触碰了法律红线,扰乱了新能源汽车产业的健康发展秩序。
2025-12-09 10:11
一项新研究揭示了这些天体表面下可能发生的活动,为了解其多样地质特征的形成机制提供了线索。相关研究成果近日发表于《自然-天文学》。
2025-12-09 10:02
实验结果显示,将化合物注射给抑郁模型小鼠后,仅1小时便可观察到显著的抗抑郁效果,且无明显副作用。
2025-12-09 10:01
北京大学生命科学学院罗述金课题组与合作团队,通过古DNA研究发现,家猫直至唐代前后才通过丝绸之路商旅传入中国。
2025-12-09 09:58
7日,中国安全生产科学研究院与国家管网集团,在新疆哈密的国家管网集团管道断裂控制试验场,成功完成了我国首次全尺寸高压纯氢管道喷射火系列试验。
2025-12-09 09:57
基于这样的研究背景,柴秀娟团队近日研发出一种数字孪生驱动的智能温室采摘系统,能有效解决现代温室番茄生产密植环境下,机器人采摘效率低、易损伤植株的问题。团队成员郎一宁介绍:“首先,机器人搭载的滑轨式深度相机会沿温室逐行扫描,采集高精度的RGB-D数据。
2025-12-08 09:54
记者从国家数据局获悉,截至9月底,我国已建成高质量数据集总量超500PB(拍字节,计算机存储容量单位);7个数据标注基地引进和培育标注企业362家,标注从业人员达8.5万人,带动数据标注相关产值163亿元。
2025-12-08 09:53
“梦想”号大洋钻探船的母港在广州海洋地质调查局科考码头,出海执行作业任务时需要通过深中大桥。多年来,我们与150余家参研参建单位团结协作、集智创新,攻克了一个个技术难题,建成了这艘具有我国完全自主知识产权、全球领先的大洋钻探船。
2025-12-08 09:52
空中的昆虫堪称地球上最灵活的生物,能精准完成急转弯、急刹车和空中翻转。美国内华达大学里诺分校的航空航天工程师Hoang-Vu Phan指出,这款新设备标志着“微型机器人性能的巨大飞跃”。
2025-12-08 09:51
近日,中国科学院西安光学精密机械研究所超快光科学与技术全国重点实验室研究员姚保利团队在定量相位成像领域取得进展,提出了正交偏振复用剪切干涉技术,并研发出集成化定量相位相机Q-camera。
2025-12-08 09:50
这次经历让我开了窍:一个顶尖的技术工人,不能只满足于执行标准,更要具备在标准之外创造解决方案的能力。我带徒弟,始终坚持“手把手教技能,实打实查问题,面对面讲后果”。
2025-12-05 10:15
由此,研究团队模仿亚洲玉米螟幼虫头壳的结构特点,在实验室中成功“复刻”出具有类似仿生层状结构的水凝胶。为验证实际效果,研究团队将这种水凝胶安装在农业害虫侦查无人机的防撞支架上,并在模拟果园环境的复杂通道中进行测试。
2025-12-05 10:16
“十四五”时期,我国批准上市创新药达210个。为保证药品安全有效,药监部门对新药研发、生产、上市作出一系列严格规定,强化研发生产各环节质量管理。
2025-12-05 10:22
据中国载人航天工程办公室消息,根据计划安排,神舟二十一号航天员乘组将于近日择机实施第一次出舱活动。目前,空间站组合体运行稳定,神舟二十一号航天员乘组状态良好,已做好出舱活动各项准备工作。
2025-12-05 10:17
大国工匠的成长是一个长期、连续、贯通的过程,职业教育要为学生构建可持续发展的成长通道。在新时代的征程中,职业教育应不断探索符合技术技能人才成长规律的教学模式,为培养更多大国工匠、能工巧匠作出更多贡献。
2025-12-05 10:15
12月1日至4日,第十三届世界科学记者大会在南非比勒陀利亚举行。
2025-12-05 10:48
为何CCER可以抵消碳排放?这里不得不提到中国的碳市场。在这样一个市场里,碳减排量可以像日常商品一样被交易。
2025-12-04 10:13
近日,中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心(以下简称分子植物卓越中心)研究员林鸿宣团队与上海交通大学研究员林尤舜团队、广州国家实验室研究员李亦学团队合作,种出了“不怕热”的水稻。
2025-12-04 10:03
科学家发现了一种可以在63摄氏度下存活的单细胞变形虫,创造了真核生物的耐热纪录。拉森火山国家公园以冒泡的酸性湖泊和炽热的地热池而闻名,但该变形虫却来自一条pH中性的“热溪流”。
2025-12-04 10:04
根据我国风电光伏基地规划布局方案,至2030年,这些新能源基地总装机规模将达4.55亿千瓦,大约相当于20个三峡水电站的总装机容量——“沙戈荒”生态环境脆弱,一旦遭到破坏,恢复难度大,大规模建设光伏风电发电基地可能会影响当地的植被、土壤和水资源等。
2025-12-04 10:01
加载更多