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现代乐器声学知识6-10

2010年12月28日 AEROFISH 1,539 views 发表评论 阅读评论

第六讲 打击乐器声学特征

一、概述
打击乐器是所有乐器家族中形式种类最为复杂的一个家族,其声学结构和演奏方式也千姿百态。譬如,有的打击乐器以击奏方式发声,如鼓、锣、钟等;有的以摇奏方式发声,如摇响器、沙锤等;有的以刮奏方式发声,如刮响器、中国古代乐器等,有拨奏发声的,如遍布世界各种类型的口弦,当然还有以复合演奏方式发声的,如铃鼓,即可击奏,同时又可摇奏。

按萨克斯-霍恩博斯特尔分类法,打击乐器应当归为“膜鸣乐器” ((Membranophones)或“体鸣乐器”(Idiophones)。膜鸣乐器主要是鼓类乐器,而体鸣乐器包含的种类却复杂得多,从声学角度至少又可分为“棒振动”和“板振动”两大类。

萨克斯认为打击乐器应当是人类最早出现的乐器种类,然后才是吹奏乐器和弦乐器。但据我国考古记录,目前所能见到的最早的打击乐器,是在黄河流域的马家窑、仰韶、大汶口和龙山等文化遗存中出现的用陶土烧制的铃,这些乐器距今才不过6千年左右,而在河南舞阳地区贾湖村发现的骨笛,却已有8千年以上的历史。由此来看,人类最早使用的乐器到底是哪种还很难下定论。

从总体结构上分,所有打击乐器可分为两大类:有共鸣系统和无共鸣系统。有共鸣系统的打击乐器,常见的如各种带腔的鼓、加装共鸣管的木琴、铝板钟琴、口弦等。对这些乐器来说,共鸣系统一方面具有扩大声辐射面积的作用,同时还具有频率耦合作用,即可以通过共鸣腔体体积来调节振动源本身的频率(音高)和音色。无共鸣系统的打击乐器,常见的如三角铁、锣、编钟、编磬等。这些乐器一般只有激励系统和振源系统,少量的乐器带有调控系统,主要用来控制音的长短,典型的如架子鼓中的踩镲。

定音鼓属于比较典型的有共鸣系统且音高可调的打击乐器,其结构较为复杂。

下面将打击乐器按膜体、棒体和板体三大类来分别介绍。

二、膜体打击乐器

膜的振动与前面介绍过的空气柱和弦振动相比,既有相同之处,也有不同之处。相同之处在于,膜振动也是复合振动,即,在整体振动的同时,还存在分区振动。由整体振动产生的音称为基音,分区振动产生的音称为泛音或分音。不同之处在于,膜振动产生的泛音频率与基音不能构成整数比关系,因而未加调整的膜振动不能发出具有清晰音高的声音。

膜的分区振动也是呈一定规律的,以圆形膜为例,分区振动皆是以径向节线和轴向节线的分隔而产生。

膜的振动频率与张力成正比,与半径和膜密度成反比。

对于鼓来说,鼓面直径越大,张力越小,声音越低。所谓“理想膜”是指厚度和弹性完全一致的膜。实际上,所有用于制造乐器的皮膜都不可能是“理想膜”。

膜振动产生的泛音与基音皆不构成整数倍关系,因此从理论上讲,膜振动不可能发出音高明确的乐音。读者或许要问,为什么管弦乐队中的定音鼓可以有明确的高度?首先,定音鼓的膜是经过特殊处理的,其厚度、弹性和张力已偏离“理想膜”的范畴,从而能够抑制一些不协和泛音的能量。其次,定音鼓的锅形共鸣腔对鼓膜的振动频率起到了“耦合”作用,能够将一些不协和的泛音加以调整,使之与基音构成协和或近似协和的关系。
图5是一个定音鼓发声的频谱,从图中显示的泛音情况可以看出,基音是大字组的#C,第1个泛音是偏高一点的#G(高出标准音16音分),第2个泛音是小字组的#c(高出标准音9音分)。由此来看,这三个音基本构成一个五度加八度的协和关系,因此这个鼓声听起来具有明确的音高感。

中国大鼓的鼓腔一般为桶形,鼓膜张力不可调,因此其发声特点与定音鼓有所差异。

根据圆形膜振动分区的道理,其激发位置可划分为中心,内圈、中圈和外边几个部位。一般而言,鼓的最佳激发位置在内圈与中圈之间,也就是鼓面直径2/6~2/8处,在此处敲击有助于激发基频的振幅,并可抑制一部分不协和的泛音成份。但是在强奏时,随着力度的加强,激发位置一般需要逐渐向中心移动,以使膜面可以承受强大的冲击力。

膜体打击乐器的音量取决与外力激励膜面的强度以及激励的位置,只有适度激励膜面,使膜的弹性模量处于最佳状态时,才能使膜振动达到最大振幅。膜体打击乐器的音色变化,主要与激发工具的软硬度有关,较硬的激发工具能产生较明亮的音色,较软的激发工具则产生较柔和的音色。此外,有些膜体打击乐器还可通过增加附加共鸣装置来改变音色,例如在小军鼓鼓面上加一组钢丝弦,击奏时,弦与膜产生碰撞,可以产生特殊的高频振动效果;铃鼓的鼓帮上加上小铃,击奏时膜与铃同时发声;有时人们还在鼓面上蒙上一层棉织物,从而发出一种朦胧的音色,如同加了弱音器。

三、棒体打击乐器
乐器中所指的棒,是泛指所有类似棒状的弹性物体,包括矩形棒(如木琴的音板),直形棒(如响棒),圆形棒(如双音木鱼)和曲形棒(如三角铁)。

棒体受到外力激发后,会产生偏离平衡位置的变形,并随之作惯性振动,发出声响。大多数棒振动乐器都是以横向敲击的方式发声,只有极少数乐器是以敲击棒的端部发声,因此可以认为,棒体打击乐器主要以横向振动为主,以纵向振动和扭曲振动为辅。在横向振动中,棒体可能存在三种情况:一端自由,一端被固定;两端皆被固定;两端皆自由。大多数棒体打击乐器属于两端皆自由的情况。

棒的横向振动频率变化,如果是矩形体,则决定于不同的厚度、长度、宽度和材料的密度;如果是圆柱体,则决定于不同的长度、截面半径和材料的密度。

对于矩形体来说,越长、越宽、越厚的材料,其劲度、密度越低,则频率就越低,反之亦然。

没有经过加工的棒在自然状态下,分段振动产生的泛音与基音皆构成不协和关系。但经过适当磨削加工的棒,可以去掉或调整一些不协和的泛音,使之更具乐音特性。例如,木琴、马林巴和铝板钟琴的音板经过磨削加工后,都可以产生比较协和的泛音。从木琴的频谱中可以看出,这块音板的基音为小字2组的c2,4个泛音分别为g3、ba4、↑be5、a5,除第3泛音外,与基音基本构成协和关系,因此木琴可以作为定音乐器来使用。

四、板体打击乐器
在乐器声学理论中,把用弹性材料制成的,等边形或圆形的片状体,称为板。板在受到外力后,会产生变形偏离平衡位置,而板的弹性恢复力的作用又使之返回并越过平衡位置,随之作惯性振动,如果没有外界干涉,板体材料本身存在的阻尼会使板振动逐渐减弱直至消失。

板振动时,除全片振动外,亦存在分片振动。在振动模式分析上,人们常常将板视为增厚的“膜”。因此板的频率计算公式基本套用膜的公式。同时也可以用径向和轴向节线理论来解释板的分区振动问题。但由于板属于“厚膜”,所以比膜振动还要复杂一些,尤其是当板的厚薄、密度、劲度不均匀时,其波形呈复杂图型。

均匀板的频率变化,与板的厚度、半径和材料密度有关。板越薄、半径越大和密度越小,则频率越低,反之亦然。

“声速”一项因素的作用,虽然一般情况下,我们都以空气中的声速作为计算标准,但如果板体打击乐器在其它介质中演奏时,由于声速会发生变化,打击乐器的振动频率(音高)也就随之变化。作曲家谭盾在作品《永恒的水》(协奏曲)中,让打击乐手在敲击锣的过程中将锣放置水中,结果铜锣的音高和音色都发生了变化。

制造乐器所用的板却是形状各异,厚薄不均,材料也多种多样。所以,对于乐器制造领域而言,上述公式仅具参考价值,无法严格照搬。一般而言,直径较大的圆形板体打击乐器,譬如大锣,因为振动模式太复杂,都不能产生明确的音高。

我国京剧打击乐中的手锣,不仅有明确音高,通过特殊的敲击手法还可以发出一种由低到高的滑音效果。通过频谱分析可以发现,其音高变化是从#d2至#f2,为一个小三度。

一个锣的平面,大致可以划分为中心、内圈、中圈和外边四个部份。击奏不同的部分,会获得不同的音色。击中心,始振过程较长,衰减过程也较长,基础音及高次泛音的振幅均较大,发音深沉。如果在这个位置击奏后,即用手按住锣心,则获得一种振动未能充分展开的闷音,称为闷击。击内圈,突出了低次泛音,基频和高次泛音的振幅被抑制,音色不明朗,衰减过程缩短。击中圈,音色和击内圈相当,但高次泛音更强烈、粗犷。击外边,锣未能充分振动,音色沙哑,有强烈金属声。

上述激发位置的音色特点,适用于所有同类型的锣属乐器,但却不适于用槌击的吊钹。因为钹的中心有穿孔,被绳带穿过吊起,此处成为振动的节。其发声特点与锣相反,越靠近中心声音越高,而击外边和击外圈音质最好。

板体打击乐器音量变化,取决于对板施加的外力的大小,在弹性模量限度的范围内,施加的力越大,振幅就越大。与其它振动形式相比,板振动可以承受的外力要大许多,而且由于振动体直接暴露在大气中,声波辐射无阻拦,故而板体打击乐器的音量总得来讲都比较大,作曲家在配器时一般都谨慎使用。

板的另一种振动方式是以被迫振动的身份出现,起共振作用。例如提琴、琵琶、钢琴等乐器共鸣器的壁板,就是这样的性质。这时板的振动,一方面受弦振动的制约,同时又会激发出板材本身的固有频率,反过来对弦振频率起到耦合作用,从而对乐器的音高、音色和音量产生非常重要的影响。以提琴为例,既有面板、背板、侧板各自的固有频率,又有整体琴身以及琴箱内腔的固有频率,使它在弦振动一系列频率中呈现相应的共振峰和谷。

任何一个制琴者都知道,板材本身的质量对乐器的音质可谓至关重要。用处理过的优良板材制作出的琴,板材与各条弦产生的共振峰和谷在频率分布上是比较均匀的,因此听起来高低音区声音比较平衡。用劣质板材制作出的琴,则会出现高低音区不平衡的情况,甚至出现难听的“狼音”。

有些乐器,譬如钟,虽然从形状上看根本不是“板”,但从声学原理讲,可以用板振动理论来加以推算,因而可以称它们为“类板体乐器”。西洋的圆钟、手钟、中国古代的钟、合瓦形的甬钟和纽钟,都属于类板体打击乐器。因这些振动体具有壳形的外形,故有的理论书籍将其称为“壳体类振动体系”。

钟是类板体乐器中最重要的一各家族。钟在世界各个民族的起源都很早。非洲铁质铆钟比其铸造铁金属早;公元前600年左右,亚述有小铃;在秘鲁、爱沙尼亚、缅甸和马来群岛等地都曾发现早期的矩形木钟;在公元前后,印度僧侣们就已经使用印度梵钟。但这些地区的钟在当时并未发展成一种乐器。按萨克斯理论,欧洲有两类钟:一种形似蜂房,带有钟舌,小而薄;另一种是郁金香花型。从9世纪起,西方才有少量的圆形钟组成的编钟,用来演奏音乐。

圆形钟的振动模式可视为圆形的板,因此也可用径向和轴向节线理论来分析。荷兰人在16世纪对圆钟的调音进行了深入研究,它们发现钟的声音中包含了许多声音成份,并将这些声音成份给予命名:最低的音称为“嗡音”(hum tone),有2个径向节线,人耳虽然能感觉其存在,但无法明判其音高;在嗡音上方的称为“基音”(prime tone),决定钟的基本音高,有2个径向节线,一个轴线节线,由于在击钟的一刹那人耳就会感觉到这个音,因此又称其为“敲击音”(strike tone)。除了这两个音,荷兰钟匠通过对钟形的调整,以及对钟壁作不同厚度处理的方法,还能使圆钟产生与基音构成协和关系的小三度、纯五度和大三度等其它泛音,从而使圆钟发出非常纯正的复合乐音的效果。有关学者的研究证实,圆形钟的振动频率,与金属材料的硬度、体积、密度、弹性模量等有关,与钟壁厚度成正比,与圆形壳体半径及长度成反比。

综合考古发掘的大量遗物来看,中国钟类乐器发展的脉络,应当先有陶土制造的铃或钟,后有青铜制造的铃或钟;先有单个的钟,后有编列成组并按一定乐律体系发音的编钟。迄今考古所发现的较早铜钟,多为殷墟时期所铸造,通常为三件组编钟,形制如两块瓦相合,俗称“合瓦形”。它们是中国编钟的前身,已经具有演奏音乐的性能。到了西周时期,铸钟技术达到非常高的水平。合瓦形编钟最奇特之处,是在一个钟上可以敲击出两个乐音:在正鼓部位置可以产生一个“正鼓音”,在侧鼓部位置可以产生另外一个音。对西周时期的编钟而言,大多数情况下二者相差一个小三度或大三度(正鼓音低,侧鼓音高)。这种情况俗称为“一钟双音”。这种独特的发声方式自汉代以后逐渐失传,直到1978年曾侯乙编钟出土以后,人们才重新认知这一由我国古代钟匠创造的声学神奇。

【来源:http://www.cmia.com.cn/bbs_dv/index.asp


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