乐器产生与发展于人类劳动创造的过程中，是人类精神文化生活需求的产物——是最早的“音响”。
今天，我们通过现代音响设备所聆听的，很大一部份内容仍然与各种乐器有关——尤其是古典音乐。
音响与乐器——无论是在科学上，还是在艺术上——都是相通的。
探索乐器的发声原理——对于音响的研究与发展有着重要的借鉴意义，同时也有助于我们更好地领悟与欣赏音乐。
□ 乐器声学原理探析之 弦乐器篇——
● 弦/膜/板振动的驻波——实质上都是“并联共振”。
弦乐器共鸣箱可产生“波导”驻波（λ/2共振，λ/4共振），也可形成“亥姆霍茨共鸣器”（有音孔）——前者为“分布参数系统振动/并联共鸣”（同管乐器），后者为“集中参数系统振动/串联共鸣”。
实际上，二胡并非“活塞式振动”—— 二胡为膜振动，产生横波。虽然振幅比板振动（如板胡）大，接近“活塞式振动”（尤其低频时），但同板振动一样都属于“分布参数系统”振动，产生“并联共振”，即驻波——而“活塞式振动”（如弹簧振子 ）则是“集中参数系统”振动，产生“串联共振”。
● 弦乐器共鸣腔驻波并非整体性的空气柱“λ/4共振”——两侧封闭端至中间音孔分别形成“λ/4共振”，但可形成整体性的“λ/2共振”（音孔处为波腹）——而整个共鸣腔与音孔又可形成“亥姆霍茨共鸣器”。
如小提琴共鸣腔驻波共振f0并非为250Hz（L=340mm，λ/4共振）——从频谱图可以看出，其共振峰从400-500Hz开始——294Hz则是“亥姆霍茨共鸣器”共鸣频率。
小提琴两个f 孔处宽度方向可形成“λ/2共振”（开管）——厚度方向则可形成“λ/4共振”。
● 弦振动为“偶极子”型——横波形成偶极子相邻的“端射阵”；各波峰/波谷前后方向又形成偶极子，最大辐射方向与前者相反——故弦的辐射声功率Ｗｒ↓，一般作为“传导器”耦合板/膜振动 ，以 ↑ Ｗｒ。
弦振动只有形成驻波时才能↑ Ｗｒ——横向为“同相小球源”，Ｗｒ↑/ 指向性↑；纵向可形成“线列阵”，但指向性↓ 。
所谓“松香味”——实际上就是松香足→摩擦系数↑，可以产生丰富的谐波——低次谐波可↑质感；高次谐波（泛音）能够使声音细腻，清晰度↑；偶次谐波可以使声音更动听。
● 驻波与声辐射——
弦/膜/板共振形成驻波时——为“对称性振动/同相辐射”。
横波（2）同时向外压缩空气——声压P/振速V达到最大值时，振幅A为最小值（此时辐射阻Rr 最大）；声压P/振速V为最小值时，振幅A达到最大值——然后上下交替，周而复始。
弦/膜/板驻波“对称性振动”实际上似乎不可能——介质“分身乏术”；若“分身有术”，则振幅不会很大——尤其介质材料的弹性模量比较大时。
“分身有术”——弦/膜/板振动横波的驻波，类似于板中纵波（S型兰姆波），都是介质上下表面质点作“椭圆偏振”——但前者为横波，振动方向与声辐射方向相同，波速u=0（驻波），振速v↑，故其能流密度 I ↑，辐射声功率Ｗｒ↑；而后者为纵波，振动方向与波传播方向（纵向）相同，而与声辐射方向（横向）垂直，波速u↑，但能流密度主要为纵向，“椭圆偏振”为泊松效应引起的横向振动，故模态密度↓，Ｗｒ↓，一般不会产生声辐射。
一般资料上所述“弦驻波”，都是单一横波交替上下振动，但这又不符合“驻波”定义 ——故有待进一步探讨。
● 薄板弯曲波模态密度大的条件——密度小/刚度大。
桐木板完全满足上述条件——故中国传统弦乐器大多以其为音板，如古琴/筝/阮/琵琶等。
桐木质轻软/不变形 ，具有优秀的声学品质；透声性好，毛孔大——被称为“会呼吸的木材”。
桐木的声导纳 ↑（透射系数↑），即使共鸣腔为封闭结构，内部共鸣声波也能够传播出来——封闭结构共鸣腔主要为“λ/2共振”（两端波节），厚度方向则可形成“λ/4共振”——桐木音板处为波腹。
● 一直以为古筝/琵琶的共鸣腔为封闭结构——其实古筝的音孔（3）在底板上，而琵琶的音孔（1）在“覆手”下面——都是“藏而不露”。
琵琶音孔面积小，共鸣腔内部声音反射↑ ，混响过度——故音色“粗犷”。
古筝音孔面积大小恰当，混响适度——故其音质清澈，又具有一定“弹性”（余音缭绕） 。
● 电声弦乐器（如电吉他/电小提琴/电古琴）——拾音器直接将琴弦的机械振动转换为电信号，通过放大器/音箱发声——无需共鸣箱，音色更丰富（可通过“调节器”调节）。
拾音器（Pickup）——是一个电磁感应的信号转换装置，与麦克风（MIC）不同——与声波的空气振动无关。
“真正意义上的弦鸣乐器”——电声弦乐器主要为“弦振动”，与传统弦乐器不同（“弦振动”耦合“板振动”/“膜振动”）——虽然不同材料的琴体“板振动”也会对音色产生影响。
“弦振动”主要产生“奇次/偶次谐波”（谐波频率与基频成整数倍关系）——而 “板振动”/“膜振动”/主要产生“间谐波”（谐波频率与基频不成整数倍关系）。
偶次谐波可以构成“谐和音程”——而奇次谐波/“间谐波”声音都不和谐（后者更甚）——声音和谐性：偶次谐波＞奇次谐波＞间谐波。
当弦振动产生的奇次谐波与板振动/膜振动的次间谐波/间谐波发生共振时——会导致“狼音”，使声音不和谐——而前者产生的偶次谐波与后者次间谐波/间谐波共振时，则可降低不和谐性，使声音动听（松香味）。
从某种意义上——演奏弦乐器的过程就是“↑偶次谐波/↓间谐波”的过程，演奏者通过长期练习——不但提高音准/节奏/旋律等方面的素养，还要使音乐更“动听”。
演奏家与演奏者的一个重要区别就是——演奏家会有一种“本能”（技巧），通过运弓/指法的某种直觉——↓“狼音”/↑“松香味”。
相对于传统弦乐器，电声弦乐器更容易使声音和谐动听——可以有效防止“狼音”，↑“松香味”——↓“间谐波失真”（IHD/SIHD）。
但是电声弦乐器易受电磁辐射的干扰（尤其单线圈拾音器）——EMI会导致“间谐波失真”（IHD/SIHD） ——双线圈拾音器（HUMBUCKING）则可↓EMI的影响。
电源污染也会↑拾音器的“间谐波失真”（IHD/SIHD）——EMI/电源污染等都会导致放大器的间谐波/次谐波——使音质劣化，音色不和谐。
● 弦乐器的共鸣箱实质上为“声学功率放大器”——弦振动→板/膜振动（面积S↑，Rr↑/Wr↑）→共鸣箱声能聚集/声压放大。
背板（一般为硬木材料）相当于“刚性壁”——近似于“同相球源”，由于“镜像原理”使板振动的声波声压加倍，如小提琴/古筝——二胡/板胡无背板，则共鸣效果（声压）↓。
反射/混响/干涉也可以增加声压——共鸣箱为相对密闭空间，可使声阻抗（空气弹簧劲度）↑，有利于↑声压——共鸣腔空气柱“驻波共振”也可增加声压。
共鸣可以↑辐射声功率（Wr），↑质感/临场感，↑泛音，生动自然——弦乐器板/膜振动的驻波共振与共鸣腔空气柱的驻波共振异曲同工——都可称之为“共鸣”。
板/膜“驻波共鸣”可以通过共鸣箱将声音进一步“放大”——虽然板/膜振动间谐波的和谐性↓（IHD/SIHD），但可使声音更动听——类似于“擦弦声”/“松香味”。
实际上，“共鸣”与“狼音”并无本质区别——恰到好处（共鸣）可以使演奏“出彩”，太过（狼音）则会使声音不和谐——弦振动的奇次谐波/板膜振动的间谐波/共鸣腔空气柱的驻波“耦合”时，可能会导致“狼音”。
□ 乐器声学原理探析之 膜鸣乐器篇 ——
● 双面鼓——
双面鼓被击打的一面鼓膜可视为“主动辐射膜”（AR）——另一面鼓膜可视为“无源辐射膜”（PR） 。
若AR与PR材料/面积/厚度/张力等完全相同时，可同时发生共振（共振频率 fOD）——相当于2个“并联共振”之串联，可构成“四阶高通声学滤波器”（－24dB/oct，360°）——AR与PR为“对称性振动/同相辐射”。
AR与PR可与鼓腔C0形成“亥姆霍茨共鸣器”（ 共振频率fOB）——两面鼓膜为不透气材料，具有一定质量，相当于倒相管内空气柱 M0，类似于“膜振动型吸声结构”——AR与PR也是“对称性振动/同相辐射”。
AR与PR可形成“耦合振动”（ fOD/fOB之外）——AR与PR振幅交替由大到小 （此消彼长），为“同相振动”——而 fOD/fOB共振时，AR与PR振幅同时由大到小，为“反相振动”。
● 双面鼓/三弦——封闭共鸣腔“空气弹簧”劲度↑ /压强P ↑ ，声阻抗Za ↑ （Za＝ρv ，ρ↑ ）——内部空气Za↑ ，与振膜Za差异 ↓（匹配性↑），则声反射↓， 声导纳↑ ，声能传导↑，PR的辐射声功率Ｗｒ↑ 。
若双面鼓/三弦两侧振膜面积S不同，S ↓（PR）/ S ↑（AR），则更易驱动——“耦合振动”类似于听诊器，具有放大作用——F=P1S1=P2S2 。
“耦合振动”——AR与PR振动相位相差90°，辐射声波相位相差90°/270°，故不会形成“偶极子”，导致声短路。
[此贴子已经被作者于2019-07-20 16:21:44编辑过]
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Post By：2012-6-6 6:34:29 [只看该作者]
