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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
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