樂器聲學-銅管樂器的發(fā)音原理

樂器聲學銅管樂器的構(gòu)造和發(fā)聲原理1、激振原理在弦樂器上，樂器的振動是從弦的振動產(chǎn)生的。經(jīng)過碼子傳導到琴身，再由琴身的振動把琴的振動轉(zhuǎn)化為空氣振動（聲波）。而在管樂器上，從一開始激振，就是空氣振動。例如銅管演奏者吹奏一個440Hz的音，他的嘴唇在一秒鐘里就要開-閉440次。1941年，D.W.Martin用一個特制的照相機和透明的號嘴研究了一個小號手的嘴唇運動。證明了這一點。嘴唇的開啟部分，在低音區(qū)較大，而在高音區(qū)較小。1、激振原理圖示一個長號演奏者吹奏時側(cè)面和正面的嘴唇照片，用高速攝影機拍攝。圖a表示了嘴唇在不同音高時，離開中心線的距離（mm)圖b表示了上、下嘴唇在吹不同音高時各離開號嘴中心線的距離。細線為上嘴唇，粗線為下嘴唇。在中、低頻下嘴唇在開口時更積極；而在高音區(qū)下嘴唇幾乎是不動的，而只有上嘴唇活動。吹奏時嘴唇開口的示意圖：左圖展示在低頻時嘴唇開口時的情形。中圖展示高音嘴唇開口的情形。右圖是橫剖面圖，表示嘴唇離中軸線的情況。1、激振原理比較復雜的是激振體（嘴唇）和振動體（號里面的空氣柱）之間的互相反應(yīng)。通常，演奏者的嘴唇，它的“開-閉”動作，沒有號嘴的支持是很難實現(xiàn)的。同時嘴唇在開啟時，應(yīng)該正好面對一個反射回來的疏波；而當它關(guān)閉時，又應(yīng)正好面對一個反射回來的密波。這叫“共鳴”。2、共鳴頻率當嘴唇發(fā)出的脈沖在管子里以聲速運行，到管子末端，會部分地反射回來。這樣很自然地，上述的嘴唇閉合頻率，只對一定長度（l）的管子，才會發(fā)生上述的“共鳴”。共鳴頻率公式：fn=n?n=1.2.3.……

f=共鳴頻率l=管子的長度c=聲速2、共鳴頻率對一支F調(diào)的圓號來說管子的長度為3.6m，則它的共鳴頻率為：

f1=1?==47Hz（最低音）f2=2?=94Hzf3=3?=141Hz這個嘴唇閉合與振動的空氣柱互相作用產(chǎn)生的頻率稱為“共鳴頻率”，只有與這個頻率相適應(yīng)的音高，才能在樂器上演奏出來。2、共鳴頻率如果同樣這根管子的空氣柱，用其它頻率來激振，那么這個由這根管長所決定的脈沖，就無法與這個頻率保持一致，就會阻止嘴唇的振動。由嘴唇產(chǎn)生的閉合脈沖就會受到很大的壓抑，或者被抵消，無法形成穩(wěn)定的駐波。在管樂器上可以發(fā)出各種不同的共鳴頻率，稱為“自然音”（泛音）。因為它不必用其它的輔助方式就可以在樂器上產(chǎn)生。最低共鳴頻率一般稱為基音，它很少使用。主要使用的頻率是f2-f8（音域為2個八度）。2、共鳴頻率總的說來，銅管樂器的質(zhì)量是由它的共鳴位置決定的：1.共鳴頻率必須符合音階頻率的準確高度。這就是說，它的音高必須與音階的音高相適應(yīng)（例如，第7,11共鳴頻率一般說來就是不用的）。共鳴頻率的位置，決定了這件銅管樂器的基礎(chǔ)音準。2.共鳴的強弱，決定了相應(yīng)的音是否容易或難吹奏（吹奏性能）。

3、活塞銅管樂器要改變音高，通常是用改變管子長度來實現(xiàn)的。而要改變管子長度，現(xiàn)在主要是用活塞。在管身圓柱形的部分，裝一個活塞，可以用來改變管子的長度。關(guān)于活塞裝置，早在18世紀初就開始試驗。最終是1788年由英國人克拉蓋特（Clagget）發(fā)明，然后推廣應(yīng)用的。現(xiàn)在主要是用2種活塞：柱型和旋轉(zhuǎn)型。銅管活塞的圖示：左圖為柱形活塞（維也納式）；右圖為旋轉(zhuǎn)形活塞（德國式）。3、活塞在小號，圓號及活塞長號中主要使用3個活塞：

第一活塞：增加管長1/8，降低一個全音；

第二活塞：增加管長1/16，降低一個半音；

第三活塞：增加管長3/16，降低三個半音。右圖為圓號的活塞簡圖。上為F調(diào)；下為降b調(diào)。3、活塞——使用中的問題如果一支圓號，要吹一個降b，那么在圓號第八分音c的位置，按下第一活塞，管子的長度就相應(yīng)增加了，同樣還是圓號中的第八共鳴音，但其音高是降b。如果想演奏一個b音，那么按下第二活塞，管子增加1/16，那么圓號中的第八共鳴音，其音高為b音。如果我們想演奏一個a音，除了用第三活塞外，還可以用同時按下第一，二活塞來達到。但是從音準的角度來說，這個音會偏高。原因是：每個活塞所增加管長的百分比，是根據(jù)原先的管長計算出來的。如果我們按下第一活塞，其音高為降b，那么再按下第二活塞想到達a，那么這個增加的管長，就顯得太短了。因為它是根據(jù)第一活塞不按下時的基本管長來設(shè)計的。3、活塞——使用中的問題據(jù)計算，第一、二鍵同時按下，會高10音分（以十二平均律計算）；第一、三鍵同時按下，會高30音分；而第一、二、三鍵同時按下，則會高出53音分。

長號由于沒有活塞，所以沒有這個問題。

為了改善這種情況，小號裝置了音準調(diào)節(jié)管。有的銅管樂器則增設(shè)了第四、五鍵。

用活塞調(diào)節(jié)出來的音高，總會略有偏差，需要音樂家通過嘴唇的張緊-放松來作少許調(diào)整。

使用伸縮管的長號，則沒有這個問題。它通過管子伸縮可以任意調(diào)節(jié)管長，來達到隨意音高。由于柱形活塞和旋轉(zhuǎn)形活塞在轉(zhuǎn)動的過程中，總會有一個時刻達到一個中點：在柱形活塞上會形成2條通路，而在旋轉(zhuǎn)形活塞上會形成許多通路。這樣在柱形活塞上，任何時候都不會中斷發(fā)音，只是在中點時會有不同的泛音結(jié)構(gòu)；而在旋轉(zhuǎn)形活塞運動至中點時，短時間內(nèi)會發(fā)不出樂音，而只有噪聲。3、活塞——對音色的影響在音樂實踐上，這意味著在柱形活塞上，可以吹出一個柔和的、連接良好的連接音，而在旋轉(zhuǎn)形活塞上，在音連接時，會有一個短促的（約20毫秒）的噪聲帶出現(xiàn)。這個盡管我們無法有意識地聽見，但卻可以感受到音色的變化。

下圖：左圖為柱形活塞的連接：右圖為旋轉(zhuǎn)形活塞的連接。3、活塞——對音色的影響3、活塞——對音色的影響三維頻譜圖：一支圓號從降b到降e,左為柱形活塞，右為旋轉(zhuǎn)形活塞。3、活塞——對音色的影響活塞形式對音連接時音色的影響，與許多因素有關(guān)：1、所演奏音的音程及頻率。2、活塞機械部分的制造。3、活塞所處的位置。如果這個位置正好位于波腹，那么這個影響就較大；而如果活塞的位置正好位于波節(jié)，那么這種影響就要小得多。這種產(chǎn)生于活塞的噪聲，可以通過演奏技術(shù)予以掩蔽。例如在音連接前，演奏者略增加些能量，在真正連接時能量會被抑制，而后又會有較多的能量輸入。4、號嘴號嘴從物理學的角度來說就是一根形狀復雜的管子。由于它是一根管子，所以它本身也是有共鳴頻率的（約600-900Hz）。號嘴通常有2種形態(tài)：碗形和漏斗形。號嘴的外沿使演奏者的嘴唇固定，將其分為振動部分（號嘴內(nèi)的）和不振動部分（號嘴外的）。所以很重要的是，演奏者應(yīng)根據(jù)他自己的嘴唇來選擇號嘴的邊。4、號嘴a,小號號嘴（碗形）b,圓號號嘴（漏斗形）c,長號號嘴（碗形）d,大號號嘴（碗形和漏斗形結(jié)合）4、號嘴——共鳴頻率碗形號嘴（小號，長號）通常有2個較強，一個較弱的共鳴區(qū)域。

下圖為一個小號號嘴的共鳴頻率頻譜圖。有2個較強，一個較弱的共鳴區(qū)域。4、號嘴——共鳴頻率漏斗形號嘴（圓號）通常有1個較強,1個較弱的共鳴區(qū)域。4、號嘴——號嘴共鳴頻率對管子空氣柱振動的影響上圖是一根長1米的圓柱形管子的共鳴波形圖。中圖是一個小號號嘴的共鳴區(qū)頻率圖。為了便于比較，它用同樣的y軸數(shù)據(jù)畫出。下圖就是把這個號嘴連接到這根管子后產(chǎn)生的效果：這根曲線看上去就像是號嘴的共鳴曲線和管子的共鳴曲線的疊合。事實上，管子的共鳴曲線在號嘴的共鳴區(qū)域里，被強烈的加強了。4、號嘴——碗形體積的影響如果擴大碗形的體積，那么號嘴的共鳴區(qū)域?qū)⑾乱?。這意味著，樂器高泛音的振幅將被抑制，高音就將比較難吹，而低音則會較易吹奏。碗形體積的縮小，將會使號嘴共鳴區(qū)域上移。樂器高泛音的振幅會加強。（同時，低、中音的包絡(luò)峰會向高頻移動）所以號嘴的容積會影響到發(fā)音音色。即便是同一個號嘴，由于不同的吹奏者不同的嘴唇形狀，以及嘴唇深入號嘴的程度各異，就會使號嘴的實際容積不同，因而產(chǎn)生不同的聲音。4、號嘴——號嘴孔的影響號嘴孔擴大——所起的作用如同碗形容積縮小一樣。即會使號嘴的共鳴區(qū)域上移。號嘴容積的改變幾乎可以影響到所有的共鳴音。而號嘴孔的改變通常僅會影響到中、高音區(qū)的共鳴。如果一個號嘴的碗形容積擴大了，那么它的號嘴孔也應(yīng)同時擴大，以免引起樂器特性的改變。5、管子內(nèi)徑與管子長度之比如同W.Aebi測量和A.Benade所計算的那樣，聲波在一根長的管子里傳播的速度取決于管子的內(nèi)徑。

內(nèi)徑小=波速慢

內(nèi)徑大=波速快由于共鳴位置的頻率取決于管子的長度及相應(yīng)的波速，所以內(nèi)徑/管長比就對一件管樂器可以吹奏的自然音有著直接的關(guān)系。總體說來，一件有較大的內(nèi)徑/管長比的樂器，比一件較小的內(nèi)徑/管長比的樂器，在管長相同的情況下，由于波速較快，它的基本音會較高。5、管子內(nèi)徑與管子長度之比一根錐形管子，其錐度（擴大的程度），就會對共鳴曲線的形狀有很大影響。小的內(nèi)徑/管長比（左圖）：一根錐形管（2米長，開始端1cm，末端2cm）。我們可以看到每一個分音的波峰都很陡，高泛音的波峰明顯地呈現(xiàn)出來。大的內(nèi)徑/管長比（右圖）：一根錐形管長2m，但錐度很大（開始端0.5cm，末端15cm）。明顯可以看出分音的波峰不明顯，阻抗比小內(nèi)徑的為高。5、管子內(nèi)徑與管子長度之比這種共鳴曲線的差別，證實了音樂家在實踐中取得的經(jīng)驗：1、小的內(nèi)徑/管長比的樂器有利于高音的吹奏。音高移動的范圍很?。ㄒ魷瘦^好）。但這些樂器的低音由于摩擦阻尼很大，大部分演奏起來很困難，音也不準（太低）。2、大的內(nèi)徑/管長比的樂器一般說來較易吹奏。但因為波峰的位置不明顯，音高的移動范圍較大，高音區(qū)音高的可靠性較差。不適合吹奏高音區(qū)。

大內(nèi)徑/管長比的樂器一般都有一個較大的喇叭口。所以就會比小內(nèi)徑/管長比的樂器有更多的聲波傳播出去。這樣的結(jié)果就是演奏者必須不斷地提供更多的能量，有較大的能量消耗，當然它的音量也較大。

6、喇叭口喇叭口影響著銅管樂器的音準和音色（圓號例外，由于演奏者將手伸入喇叭口，就使喇叭口的這種功能喪失了）。1、對音準的影響同樣的一根管子，連接不同的喇叭口，音高會不一樣。下圖表示一根長140cm的管子，上面沒有喇叭口；而下面同樣的管子加上了一個小號喇叭口的情況。我們看到樂器的音變低了。這是由于喇叭口的附加，使樂器的有效長度增加了。右圖上是一根長140cm的圓柱形管子；右圖下是同樣的管子加上一個小號喇叭口的情況。以下幾個參數(shù)變化了：a),樂器的音高變低了。由于喇叭口的附加，使樂器的有效長度增加了。b)，泛音的波峰變小了。這意味著，樂器內(nèi)的駐波變?nèi)趿恕?、喇叭口以下幾個參數(shù)變化了。a),樂器的音高變低了。由于喇叭口的附加，使樂器的有效長度增加了。b)，泛音的波峰變小了。這意味著，樂器內(nèi)的駐波變?nèi)趿恕Ｓ捎诶瓤谑且粋€連續(xù)擴大的直徑面。這樣對聲波來說，在端口就沒有一個突然的橫斷面的變化。所以聲波反射回去的相對也較少一些。同時由于喇叭口對周圍大氣的連接較好。使聲波更容易向周圍傳播，當然也需要更多的能量輸入。6、喇叭口——對音色的影響聲波是否能從一根管子的末端反射，取決于管子直徑與波長（頻率）的關(guān)系。如果波長與直徑相比較大，那么大部分聲波將反射回去；如果波長與直徑相比較小，那么大部分聲波將會溢出。所以：如果喇叭口直徑很大，那么在傳播出去的能量中低頻成分將會比較多，給予樂器一種音色較“暗”的音色；喇叭口較小的，給予樂器一種較“明亮”的音色。小號，長號，大號的喇叭口的形狀，在很大程度上，決定著它們傳播出去的音色的頻譜結(jié)構(gòu)。喇叭口對音色影響的圖示。左上圖是小喇叭口的樂器在樂器內(nèi)部的頻譜；右上圖是傳播出去的頻譜。左下圖是大喇叭口的樂器在樂器內(nèi)部的頻譜；右下圖是傳播出去的頻譜。7、材料的影響——管壁厚當銅管樂吹奏時，我們用手輕輕地觸及管身，就可以感受到管壁明顯地振動。演奏的音越響，這種振動就越強烈。如果管壁很薄，這樣在波腹處它就會隨聲波的振動來回運動一起振動。這樣它也會消耗能量。這樣樂器內(nèi)駐波的振幅會減小。其結(jié)果是傳播出去的聲波能量也會較小。7、材料的影響——管壁厚對吹奏感覺的影響音準的變化范圍

由于能量的損失，管壁薄的樂器駐波反射回吹奏者嘴唇的就較少，共鳴波峰較平坦，音準變化范圍就較大。管壁厚的樂器反之，音準的可靠性就較好。吹奏性

在弱奏時，管壁薄的樂器較易吹奏。原因在于：共鳴波峰很明顯的振動，需要較長的起振時間；而共鳴波峰不明顯的，則起振時間較短，就易吹奏。上圖表示了管壁薄的樂器（用虛線表示）在弱奏時（曲線較高）容易吹奏。下圖表示管壁薄的樂器（用虛線表示）傳播出的能量較小。7、材料的影響——管壁厚對吹奏感覺的影響音色

演奏者想把一件管壁薄的樂器吹得與管壁厚的樂器一樣響，那他就必須輸入更多的能量，以彌補管壁上的損失。要輸入更多的能量，只有將嘴唇開—閉動作的時間縮短，以使更多的能量輸入。其結(jié)果是這樣突然開-閉形成的直角形脈沖，包含更多的泛音，音色更明亮。

所以管壁薄的樂器在強奏時，音色總是比管壁厚的樂器“亮”，甚至“尖”。?管壁厚薄影響：1、傳播的音量2、吹奏性3、音色7、材料的影響——管壁厚對吹奏感覺的影響其結(jié)果是這樣突然開-閉形成的直角形脈沖，包含更多的泛音，音色更明亮。左圖是正常的波峰及頻譜；右圖是稍顯直角形的波峰及頻譜。包含更多的泛音，音色更明亮。7、材料的影響——內(nèi)壁表面音樂家通常有這樣的看法，一件新的樂器比較“難吹”，要得到相同的效果，需要有較多的能量輸入。這與內(nèi)壁的表面處理有關(guān)。隨著時間的推移，由于演奏時的水汽以及灰塵等，會在樂器內(nèi)壁上形成一層東西，使原先的表面變得略光滑，同時引起極小的阻尼變化。這種變化位于現(xiàn)代技術(shù)可以測量的極限值。內(nèi)壁表面影響：1、演奏者的“演奏感覺”。

2、發(fā)音（微小的）。7、材料的影響——合金成分在銅管樂器中，一般用3種合金：

黃銅（70%銅，30%錫）

金黃銅（85%銅，15%錫）

鎳白銅（50%銅，20%鎳，30%錫）

如果其中的成分變化，就用MS來表示（MS85=含85%銅）音樂家們對合金的成分看得很重要。實際上，合金成分對音色及發(fā)音的影響是極其微小的。K.Wogram1976年對長號的測定表明，這種聲音差別僅在3000到5000Hz和10000Hz出現(xiàn)，而且小于3dB。對聽眾來說，距離10m就不可能感受到這種區(qū)別。8、弱音器通過在喇叭口裝置弱音器，可以