胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射課件

胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射2011聲音是什么？聲音是聲源的振動(dòng)還是介質(zhì)中的聲波？音調(diào)、響度和音色是與聲源的振動(dòng)有直接關(guān)系，還是與介質(zhì)中的聲波有直接關(guān)系？胡琴的聲音是由琴弦直接發(fā)出來的，還是通過琴筒發(fā)出來的？胡琴發(fā)聲時(shí)，是琴弦發(fā)出的聲音使琴筒產(chǎn)生共鳴而增大聲音的，還是使琴筒做受迫振動(dòng)而增大聲音的?2胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射2011聲音是什么？聲音是聲源的振動(dòng)還是介質(zhì)中的聲波？音調(diào)、響度和音色是與聲源的振動(dòng)有直接關(guān)系，還是與介質(zhì)中的聲波有直接關(guān)系？胡琴的聲音是由琴弦直接發(fā)出來的，還是通過琴筒發(fā)出來的？胡琴發(fā)聲時(shí)，是琴弦發(fā)出的聲音使琴筒產(chǎn)生共鳴而增大聲音的，還是使琴筒做受迫振動(dòng)而增大聲音的?2胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射2011

如圖1所示，蒙有蟒皮（或蛇皮）的琴筒、琴桿、琴軸、琴弦、琴弓、琴馬和千斤.

聲音的產(chǎn)生源自琴弦的振動(dòng).但是，就樂音三要素來說，并非僅與琴弦有關(guān)，其結(jié)構(gòu)、材料，特別是琴筒對(duì)音色和響度具有決定性的作用.3胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射2011

二胡音調(diào)的高低與弦振動(dòng)的頻率相關(guān)，頻率越高音調(diào)越高.二胡的弦屬于兩端固定的弦，其頻率式中的f為頻率，l為弦長(zhǎng)，c為波動(dòng)在弦上的傳播速度，F(xiàn)為弦的張力，d為弦的線密度，n=1,2,3….

當(dāng)n=1時(shí)，頻率最低，稱為基頻，對(duì)應(yīng)的聲波稱為一次諧波；n=2時(shí)，稱為二次諧波，余類推.n≥2的高次諧波之頻率為基頻的整倍數(shù).4

由以上可知，弦長(zhǎng)l,張力F和線密度d的改變均可改變振動(dòng)頻率f.二胡有“里”“外”兩根弦靠外側(cè)的稱為外弦，靠?jī)?nèi)側(cè)的稱為里弦.外弦細(xì)（d?。锵掖郑╠大），外弦緊（F大），里弦松（F小，）從而導(dǎo)致外弦音高，里弦音低.

里外弦的最大有效長(zhǎng)度l0是從琴馬到千斤之間的距離.手指按在弦的不同位置時(shí)，就改變了弦長(zhǎng)l的長(zhǎng)短，越往下方按，l越短，頻率越高，反之則反.

在l不變的情況下，手指按弦的力度不同，頻率也不同，力度越大，張力也越大，頻率則越高，反之則反.5胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射2011

二胡、京胡和板胡雖然都屬于胡琴，但它們的音色各不相同，其原因在于它們的用材和結(jié)構(gòu)的差異.(2)(3)(4)(1)(1)二胡(2)京胡(3)板胡(4)音叉圖2胡琴和音叉的振動(dòng)圖象

由圖2可以看出，音叉的圖象最簡(jiǎn)單，是單一的正弦圖象，因而其聲音也最為單純；而三種胡琴的圖象都比音叉的復(fù)雜，但其復(fù)雜的情況又各不相同.6胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射2011

聲音是感覺器官的主觀感受，其客觀存在是介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，即聲波.我們所感受到的響度在于傳到我們耳中的聲波振幅的大小.這既與聲源有關(guān)，也與傳播過程中的各種狀況有關(guān).

琴筒（共鳴腔）以及琴馬和蒙在琴筒上蟒皮的匹配功能起著使二胡的聲音響度大增的作用.如果沒有琴筒和琴馬，二胡的響度將微乎其微.7胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射2011圖3音叉叉股周圍介質(zhì)中進(jìn)行的壓強(qiáng)調(diào)整

現(xiàn)在以我們熟悉的音叉為例.音叉如果不是放在“共鳴箱”上，發(fā)出的聲音是很微弱的.這是由于音叉本身的尺寸遠(yuǎn)小于它所發(fā)聲音的波長(zhǎng).圖3所示是音叉一個(gè)叉股附近所發(fā)生的情況.當(dāng)一個(gè)叉股向任何一面運(yùn)動(dòng)時(shí)在它前面的空氣呈現(xiàn)壓縮狀態(tài)，壓強(qiáng)增大；它后面的空氣呈現(xiàn)稀疏狀態(tài)，壓強(qiáng)減小.

由于這個(gè)壓強(qiáng)差的存在，導(dǎo)致了叉股兩面發(fā)生空氣“壓強(qiáng)（密度）調(diào)整”.8

“壓強(qiáng)調(diào)整”過程跟聲波傳播過程的速度是相同的，也就是在半個(gè)周期時(shí)間內(nèi)它籠罩的尺寸是半個(gè)波長(zhǎng)的空間.而叉股的尺寸要比半波長(zhǎng)小得多，因而叉股兩邊壓強(qiáng)調(diào)整的結(jié)果就大大地減小了音叉周圍空氣疏密的差異，也就是說，輻射的聲波被大幅度地減弱了.

因之我們可以得到這樣的結(jié)論：要有良好的輻射，聲源的尺寸跟在周圍介質(zhì)形成的聲波的波長(zhǎng)尺寸相比不能太?。?

胡琴琴弦的粗細(xì)尺寸比音叉更小，琴弦的振動(dòng)在周圍介質(zhì)中形成的是環(huán)繞琴弦的空氣渦流，而難于形成有效的聲波輻射.

如果用句俗話來比喻，就是“小魚翻不起大浪來”.

在一個(gè)較大的障礙板上開一條細(xì)縫，將弦固定在細(xì)縫的兩端之間，這樣障礙板可以有效地抑制弦振動(dòng)時(shí)形成的環(huán)繞琴弦的空氣渦流，從而使輻射增強(qiáng).

電動(dòng)揚(yáng)聲器裝在尺寸較大的板上可以使音量增大就是這個(gè)道理.更有效的方法是使用音箱.音箱的作用，一是尺寸較大，可以杜絕“壓強(qiáng)調(diào)整”帶來的對(duì)輻射的抑制作用；二是音箱做受迫振動(dòng)，從而使輻射大大增強(qiáng).10

胡琴的琴筒就是一個(gè)音箱.琴筒和其中的空氣共同組成“共振腔”.

胡琴上的弦，通過琴馬與蒙皮耦合交連，由弦的振動(dòng)而激發(fā)起蒙皮的膜振動(dòng).膜振動(dòng)受到的介質(zhì)阻尼遠(yuǎn)大于弦振動(dòng)，因而有較大的輸出功率，可以提高聲輻射的強(qiáng)度.

在聲學(xué)中常將此現(xiàn)象類比為電路中的“阻抗匹配”.在電路中有合適的阻抗匹配，才有最大的輸出功率，輸出變壓器常用來擔(dān)當(dāng)此任.在胡琴中完成“阻抗匹配”任務(wù)的是琴馬.11

孤立的模片振動(dòng)也難以形成足夠強(qiáng)的聲輻射，還必須解決前面講過的膜片前后介質(zhì)中的壓強(qiáng)調(diào)整的問題.解決這一問題的是有足夠長(zhǎng)度的琴筒.

蒙皮膜的振動(dòng)激發(fā)起琴筒里空氣柱的振動(dòng).空氣柱在蒙皮的驅(qū)動(dòng)下，在琴筒內(nèi)做受迫振動(dòng)，像活塞一樣在筒口處出出進(jìn)進(jìn)，從而在周圍空氣中形成強(qiáng)勁的聲輻射.

由以上分析我們可以認(rèn)識(shí)到：對(duì)于胡琴來說，其聲音產(chǎn)生的根源在琴弦的振動(dòng)，而其聲音向周圍的輻射卻源自琴筒.12胡琴的發(fā)聲及其聲波的輻射2011

人們常說，胡琴上的琴筒是起共鳴作用的，也有人干脆將琴筒稱之為“共鳴箱”.這種說法與中學(xué)物理課上講的共振和共鳴對(duì)照起來常常使我們感到困惑.13圖4中學(xué)物理教科書中的共振圖象

又說“聲音的共振現(xiàn)象通常叫做共鳴”，“音叉下面所裝的空箱，叫做共鳴箱.音叉發(fā)聲時(shí)，共鳴箱發(fā)生共鳴，可以使音叉的聲音增強(qiáng).”

在物理課中給出如圖4所示的圖象，并說在受迫振動(dòng)中，“驅(qū)動(dòng)力的頻率跟（做受迫運(yùn)動(dòng)的）物體的固有頻率相等時(shí)，受迫振動(dòng)的振幅最大，這種現(xiàn)象叫做共振”.14

試想，如果琴筒使聲音增強(qiáng)只發(fā)生在“驅(qū)動(dòng)力的頻率跟（做受迫運(yùn)動(dòng)的）物體的固有頻率相等時(shí)”，那么就應(yīng)當(dāng)只對(duì)應(yīng)與琴筒固有頻率相等的那一個(gè)頻率.

果真如此，那還能形成樂曲嗎？事實(shí)上，演奏樂曲時(shí)胡琴發(fā)出的是一系列高低不同，強(qiáng)弱有異，長(zhǎng)短有別的一系列聲音，也正是如此才成為樂曲.單就頻率來講，胡琴發(fā)出的是有相當(dāng)頻帶寬度的一系列音階.而事實(shí)上琴筒對(duì)此均能作出很好的響應(yīng).15

圖5反映了這種運(yùn)動(dòng)全貌（橫坐標(biāo)為驅(qū)動(dòng)力的頻率f與物體的固有頻率f0之比，縱坐標(biāo)為受迫振動(dòng)的振幅與物體自由振動(dòng)的振幅之比），而圖4只是圖5中的一個(gè)特例.圖5QM值不同時(shí)的共振圖象

那么，琴筒的作用是否像中學(xué)教科書中所說的那種共鳴作用呢？不是！共鳴是受迫振動(dòng)中的一種特殊現(xiàn)象.16

圖中的QM叫做品質(zhì)因數(shù)，其值為其中ω0=2πf0,β為阻尼常數(shù).，其中ω0=2πf0,β為阻尼常數(shù).

圖5顯示在受迫振動(dòng)中振幅有峰值.這種現(xiàn)象叫做共振，也就是聲學(xué)中的共鳴.圖5QM值不同時(shí)的共振圖象17

從圖5中可以看出：只有當(dāng)時(shí)，才會(huì)發(fā)生共振；且一般來說共振頻率與固有頻率并不相等，只有當(dāng)QM很大時(shí)（即阻尼β很小時(shí)）二者才接近相等.

當(dāng)QM=1時(shí)，在f=f0處可得A≈1.

可知，當(dāng)QM

控制在1附近時(shí)，曲線最為均勻平坦.

當(dāng)（即阻尼β很大時(shí)），共振現(xiàn)象消失，此時(shí)振幅隨頻率單調(diào)下降.圖5QM值不同時(shí)的共振圖象18

共振現(xiàn)象是常見的現(xiàn)象，在聲學(xué)中有時(shí)需要利用，有時(shí)需要抑制.

對(duì)寬頻帶的聲波發(fā)射和接收系統(tǒng)，則要求在一定寬度的頻率范圍內(nèi)工作，并要求有均勻的頻率特性，即對(duì)不同頻率具有均勻的靈敏度.顯然，弦樂器屬于這一種，應(yīng)力求避免過強(qiáng)的共振.

但是對(duì)于其他類的樂器又當(dāng)別論，比如木琴每一個(gè)音條下面都有一個(gè)共鳴筒，每一個(gè)共鳴筒只與它所對(duì)應(yīng)的一個(gè)音條的發(fā)音發(fā)生共鳴，即要求有較強(qiáng)的共振.19

由以上分析可知，胡琴的琴筒確有增強(qiáng)輻射，使聲音洪亮的作用，但它是工作在受迫振動(dòng)狀態(tài)，不是工作在共振狀態(tài).將琴筒稱之為“共鳴器”或“共鳴箱”只是習(xí)慣，更準(zhǔn)確的名稱應(yīng)當(dāng)叫做音箱（教學(xué)儀器中音叉下的木箱也是一個(gè)音箱）.音箱還不只是使輻射增強(qiáng)，成為胡琴的實(shí)際輻射源，它對(duì)音色也有決定性的影響.20

參考文獻(xiàn)[1]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)