终于懂了自制乐器的发声原理

很多同学都喜欢乐器，这些乐器发出声音是如何产生的，大家都知道与物理学知识有关。由于乐器的发声原理不同，其背后的物理原理也不尽相同。下面就来说说自制乐器的发声原理，大家千万别错过。  

自制乐器的发声原理  

很多同学都喜欢乐器，这是因为不仅乐器演奏出来的声音使人愉悦，弹奏乐器的过程也使人专注或放松。这些声音是如何产生的，大家都知道与物理学知识有关。乐器可分为弦乐器、管乐器和打击乐器等类型。由于乐器的发声原理不同，其背后的物理原理也不尽相同。  

在汉斯出版社《应用物理》期刊上，有论文作者季福云等学者们首先介绍乐器的分类和相应原理，系统说明了乐器发声的一些基本物理原理，然后具体分析几种典型乐器发声的物理原理。  

其实，不同的物理发声机制决定了不同乐器的分类：1)弦乐器：包括钢琴、吉他、提琴、琵琶、古筝等。其发声原理为：弦乐器的发音方式是使拉紧的弦振动发音，弦乐器通常用不同的弦演奏不同的音，有时则须运用手指按弦来改变弦长，从而达到改变音高的目的。2)管乐器：包括长笛、萨克斯等。其发声原理为：吹孔气鸣乐器管体为圆柱型，嘴唇振动时，气流冲击在吹孔锋利的边缘上而分开，进入管中的气流就引起管内空气柱振动而发音。3)打击乐器：包括架子鼓、云锣、编钟等。其发声原理为：乐器受打击时，发生振动，从而产生声音。  

可见，三种乐器的发声原理不同，其背后的物理原理也不尽相同。但是现在的*物理中，很少系统地介绍发声的相关知识，使人难以系统了解乐器发声的基本物理原理。现有的文献中也多以乐器展开，没有系统介绍乐器发声的物理原理，使人遇到相关物理知识时感到有些凌乱。本文首先系统介绍基本物理原理，然后依据物理原理具体分析几种典型乐器发声的不同机理，从而对乐器发声的基本物理原理有比较全面的认识，真正认识到物理学是乐器原理的基础。  

几种典型乐器发声的基本物理原理  

弦乐器  

吉他、小提琴、钢琴是弦乐器的代表。人们称钢琴为乐器之父，小提琴为乐器之母，古典吉他为乐器王子。  

吉他和小提琴类似，是靠琴弦发声，主要依据公式(1)、(2)和(3)。首先，依据公式(1)可以得出两个结论：弦一定时，张力越大，波速越大，对于基波或同级数的波，其频率会变大;张力一定时，弦的线密度越大(琴弦变粗)，波速越小，其频率会变小。其次，依据公式(2) (3)，可以得出：当整条琴弦都在振动发声时，基频的波长大，会发出频率比较低的声音;当按住琴弦的某点，琴弦与琴颈上的金属丝接触，琴弦的下半段形成了一段新的可以产生震动的封闭区间，即公式(2)中的L变小了，这时拨动琴弦，琴弦发出的基频波长变小，频率变大，因此音调也就要高一些。对于其他同级数的音也是如此。  

钢琴作为“乐器之王”，它具有音域非常广、音量很大，一根琴弦被击打，其他的弦会同时受到影响发出谐波，使演奏有很好的表现力等特点。钢琴的奥妙虽然多，但归根结底主要还是琴弦的功劳。钢琴有很多条琴弦，不同的琴弦产生了不同的声音。由公式(1)和(3)可以得出：弦长越短、张力越大、密度越小、直径越细，音调越高。  

弦乐器和其他乐器一样，不仅会发出基频波，也会发出高级数的谐波，由公式(4)和(5)，这些波在空间叠加就会形成和谐的乐音，乐音的频率由公式(6)决定。  

管乐器  

管乐器也是乐器中的一大家族，主要有各种形状的管状体和激声系统构成，它们的共同特点是通过管中空气柱振动作为声源，所以其主要依据是公式(7)或(8)，即通过改变空气柱振动的长度，改变驻波的波长。  

但是木管乐器和铜管乐器的机理还不尽相同：木管乐器为了获得不同的音调，通过在管体开孔，手指的按压控制孔的开闭的方式，可以改变管的内振动的空气柱长度，从而改变驻波的波长。其中，吹口与外界相连的是闭管乐器，适应公式(7);笛子与萧等乐器不止吹口处与外界相连，属于开管乐器，适应公式(8)。而铜管乐器多使用活塞，通过活塞得伸缩，灵活地空气柱长来控制。  

当然，若将闭管乐器简化为一段开口的管，理论上管长应等于四分之一波长;但管口外的一小段空气也会参与管内空气的震动，使得实际参与震动的空气柱比管长要长。若根据理论计算值确定每个音高对应的空气柱长度，音调会偏低。因此在制造管乐器时，需要添加一个管口校正量�6�2L。由公式(9)得知，当温度变化时，会导致振动传播的速度变化，从而导致乐器的音调发生微小变化。  

打击乐器  

借助捶打、敲击等方法可以使物体发声，打击乐器就是利用这种方式发出乐音的乐器。典型乐器有各种各样的鼓，木琴，编钟等。那些是靠膜振动发声的传统的鼓，振动方程很复杂，公式(10)是假设板振动以刚性作用为主，板的基频公式，实际因素比公式(10)复杂的多。  

管弦乐器的共鸣原理  

振源和共鸣腔是乐器的主要部分，它们扮演的角色在各种乐器中是不一样的，弦乐器(也包括弹拨乐器)和管乐器有着本质的区别：弦乐器的音高(发音频率)由振源决定，音质则取决于共鸣腔，管乐器正好相反(当然这不是非常绝对的)。  

弦乐器的振源是频率固定的振源，它的固有频率只由琴弦的尺寸决定，而共鸣腔的共振峰范围很大，对振源可以发出的大多数频率，都可以产生良好的共振。由于琴弦本身宽度不大，所以它所引起的空气振动非常有限，然而振动可以通过琴马(也称桥)传导到共鸣腔，因此共鸣腔对音质起决定作用。  

管乐器的振源是频率浮动的振源，位置和气息可以使振动频率随意变化，所以频率决定权只能转交给共鸣腔，共鸣腔的长度(即管乐器的管长)决定了管乐器的发音频率。管乐器的振源就是簧片(详见第七章)，它像人的声带一样具有一定的宽度，可以引起空气的振动，因此离开共鸣腔，簧片照样可以发出声音。因此，管乐器的音色主要取决于振源。当然，共鸣腔对振源声音的放大和修饰作用还是有的，特别是铜管乐器喇叭状的开口，这个开口可以让高频谐音得到放大，从而使音色发亮(单簧管末端也有这样的开口)。