很多同學(xué)都喜歡樂器，這些樂器發(fā)出聲音是如何產(chǎn)生的，大家都知道與物理學(xué)知識有關(guān)。由于樂器的發(fā)聲原理不同，其背后的物理原理也不盡相同。下面就來說說自制樂器的發(fā)聲原理，大家千萬別錯過。 ?

自制樂器的發(fā)聲原理 ?

很多同學(xué)都喜歡樂器，這是因為不僅樂器演奏出來的聲音使人愉悅，彈奏樂器的過程也使人專注或放松。這些聲音是如何產(chǎn)生的，大家都知道與物理學(xué)知識有關(guān)。樂器可分為弦樂器、管樂器和打擊樂器等類型。由于樂器的發(fā)聲原理不同，其背后的物理原理也不盡相同。 ?

在漢斯出版社《應(yīng)用物理》期刊上，有論文作者季福云等學(xué)者們首先介紹樂器的分類和相應(yīng)原理，系統(tǒng)說明了樂器發(fā)聲的一些基本物理原理，然后具體分析幾種典型樂器發(fā)聲的物理原理。 ?

其實，不同的物理發(fā)聲機制決定了不同樂器的分類：1)弦樂器：包括鋼琴、吉他、提琴、琵琶、古箏等。其發(fā)聲原理為：弦樂器的發(fā)音方式是使拉緊的弦振動發(fā)音，弦樂器通常用不同的弦演奏不同的音，有時則須運用手指按弦來改變弦長，從而達到改變音高的目的。2)管樂器：包括長笛、薩克斯等。其發(fā)聲原理為：吹孔氣鳴樂器管體為圓柱型，嘴唇振動時，氣流沖擊在吹孔鋒利的邊緣上而分開，進入管中的氣流就引起管內(nèi)空氣柱振動而發(fā)音。3)打擊樂器：包括架子鼓、云鑼、編鐘等。其發(fā)聲原理為：樂器受打擊時，發(fā)生振動，從而產(chǎn)生聲音。 ?

可見，三種樂器的發(fā)聲原理不同，其背后的物理原理也不盡相同。但是現(xiàn)在的*物理中，很少系統(tǒng)地介紹發(fā)聲的相關(guān)知識，使人難以系統(tǒng)了解樂器發(fā)聲的基本物理原理。現(xiàn)有的文獻中也多以樂器展開，沒有系統(tǒng)介紹樂器發(fā)聲的物理原理，使人遇到相關(guān)物理知識時感到有些凌亂。本文首先系統(tǒng)介紹基本物理原理，然后依據(jù)物理原理具體分析幾種典型樂器發(fā)聲的不同機理，從而對樂器發(fā)聲的基本物理原理有比較全面的認(rèn)識，真正認(rèn)識到物理學(xué)是樂器原理的基礎(chǔ)。 ?

幾種典型樂器發(fā)聲的基本物理原理 ?

弦樂器 ?

吉他、小提琴、鋼琴是弦樂器的代表。人們稱鋼琴為樂器之父，小提琴為樂器之母，古典吉他為樂器王子。 ?

吉他和小提琴類似，是靠琴弦發(fā)聲，主要依據(jù)公式(1)、(2)和(3)。首先，依據(jù)公式(1)可以得出兩個結(jié)論：弦一定時，張力越大，波速越大，對于基波或同級數(shù)的波，其頻率會變大;張力一定時，弦的線密度越大(琴弦變粗)，波速越小，其頻率會變小。其次，依據(jù)公式(2) (3)，可以得出：當(dāng)整條琴弦都在振動發(fā)聲時，基頻的波長大，會發(fā)出頻率比較低的聲音;當(dāng)按住琴弦的某點，琴弦與琴頸上的金屬絲接觸，琴弦的下半段形成了一段新的可以產(chǎn)生震動的封閉區(qū)間，即公式(2)中的L變小了，這時撥動琴弦，琴弦發(fā)出的基頻波長變小，頻率變大，因此音調(diào)也就要高一些。對于其他同級數(shù)的音也是如此。 ?

鋼琴作為“樂器之王”，它具有音域非常廣、音量很大，一根琴弦被擊打，其他的弦會同時受到影響發(fā)出諧波，使演奏有很好的表現(xiàn)力等特點。鋼琴的奧妙雖然多，但歸根結(jié)底主要還是琴弦的功勞。鋼琴有很多條琴弦，不同的琴弦產(chǎn)生了不同的聲音。由公式(1)和(3)可以得出：弦長越短、張力越大、密度越小、直徑越細(xì)，音調(diào)越高。 ?

弦樂器和其他樂器一樣，不僅會發(fā)出基頻波，也會發(fā)出高級數(shù)的諧波，由公式(4)和(5)，這些波在空間疊加就會形成和諧的樂音，樂音的頻率由公式(6)決定。 ?

管樂器 ?

管樂器也是樂器中的一大家族，主要有各種形狀的管狀體和激聲系統(tǒng)構(gòu)成，它們的共同特點是通過管中空氣柱振動作為聲源，所以其主要依據(jù)是公式(7)或(8)，即通過改變空氣柱振動的長度，改變駐波的波長。 ?

但是木管樂器和銅管樂器的機理還不盡相同：木管樂器為了獲得不同的音調(diào)，通過在管體開孔，手指的按壓控制孔的開閉的方式，可以改變管的內(nèi)振動的空氣柱長度，從而改變駐波的波長。其中，吹口與外界相連的是閉管樂器，適應(yīng)公式(7);笛子與蕭等樂器不止吹口處與外界相連，屬于開管樂器，適應(yīng)公式(8)。而銅管樂器多使用活塞，通過活塞得伸縮，靈活地空氣柱長來控制。 ?

當(dāng)然，若將閉管樂器簡化為一段開口的管，理論上管長應(yīng)等于四分之一波長;但管口外的一小段空氣也會參與管內(nèi)空氣的震動，使得實際參與震動的空氣柱比管長要長。若根據(jù)理論計算值確定每個音高對應(yīng)的空氣柱長度，音調(diào)會偏低。因此在制造管樂器時，需要添加一個管口校正量?6?2L。由公式(9)得知，當(dāng)溫度變化時，會導(dǎo)致振動傳播的速度變化，從而導(dǎo)致樂器的音調(diào)發(fā)生微小變化。 ?

打擊樂器 ?

借助捶打、敲擊等方法可以使物體發(fā)聲，打擊樂器就是利用這種方式發(fā)出樂音的樂器。典型樂器有各種各樣的鼓，木琴，編鐘等。那些是靠膜振動發(fā)聲的傳統(tǒng)的鼓，振動方程很復(fù)雜，公式(10)是假設(shè)板振動以剛性作用為主，板的基頻公式，實際因素比公式(10)復(fù)雜的多。 ?

管弦樂器的共鳴原理 ?

振源和共鳴腔是樂器的主要部分，它們扮演的角色在各種樂器中是不一樣的，弦樂器(也包括彈撥樂器)和管樂器有著本質(zhì)的區(qū)別：弦樂器的音高(發(fā)音頻率)由振源決定，音質(zhì)則取決于共鳴腔，管樂器正好相反(當(dāng)然這不是非常絕對的)。 ?

弦樂器的振源是頻率固定的振源，它的固有頻率只由琴弦的尺寸決定，而共鳴腔的共振峰范圍很大，對振源可以發(fā)出的大多數(shù)頻率，都可以產(chǎn)生良好的共振。由于琴弦本身寬度不大，所以它所引起的空氣振動非常有限，然而振動可以通過琴馬(也稱橋)傳導(dǎo)到共鳴腔，因此共鳴腔對音質(zhì)起決定作用。 ?

管樂器的振源是頻率浮動的振源，位置和氣息可以使振動頻率隨意變化，所以頻率決定權(quán)只能轉(zhuǎn)交給共鳴腔，共鳴腔的長度(即管樂器的管長)決定了管樂器的發(fā)音頻率。管樂器的振源就是簧片(詳見第七章)，它像人的聲帶一樣具有一定的寬度，可以引起空氣的振動，因此離開共鳴腔，簧片照樣可以發(fā)出聲音。因此，管樂器的音色主要取決于振源。當(dāng)然，共鳴腔對振源聲音的放大和修飾作用還是有的，特別是銅管樂器喇叭狀的開口，這個開口可以讓高頻諧音得到放大，從而使音色發(fā)亮(單簧管末端也有這樣的開口)。 ?