一提到鋼琴，不少曾飽受鋼琴補(bǔ)習(xí)班“折磨”的同學(xué)恐怕會(huì)心里發(fā)怵，而鄰居們估計(jì)也是在噪音的摧殘下苦不堪言。

在苦練鋼琴技藝的同時(shí)，大家有沒有思考過，鋼琴是如何發(fā)出那些動(dòng)聽琴音的呢？

作為一種源于西方的鍵盤樂器，鋼琴具有音域?qū)拸V、音量宏大、音色優(yōu)美和表現(xiàn)力豐富等特點(diǎn)，巴赫、莫扎特、貝多芬、舒伯特、李斯特等幾乎所有的西方近現(xiàn)代著名音樂家都曾專門為鋼琴譜寫過樂曲，因此鋼琴被譽(yù)為“樂器之王”。

(資料圖)

那么在那龐大的箱體里到底藏有哪些秘密，讓它得以獲此殊榮？

常見的立式鋼琴（左）和臥式鋼琴（右）

圖源：某電商平臺(tái)

其實(shí)，鋼琴發(fā)聲的原理并不神秘，與我們身邊所有物體得以發(fā)出聲音的原理都是一樣的，那就是振動(dòng)發(fā)聲。

想象一下：大風(fēng)天氣下的旗桿頂端會(huì)來回?fù)u擺；一根彈簧被拉長(zhǎng)并釋放后會(huì)不斷地來回伸縮；鼓面會(huì)在鼓槌的敲擊下上下起伏…… 這些現(xiàn)象都有著同一個(gè)特點(diǎn)，那就是物體在某一位置的附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為機(jī)械振動(dòng)（簡(jiǎn)稱振動(dòng)），人教版高中物理選修一就講到了這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

不同物體振動(dòng)的速度是不同的，如蜂鳥振翅的速度就明顯高于大雁的振翅速度，這種振動(dòng)的速度通常以振動(dòng)頻率這一概念表示，具體是指物體在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)，單位是赫茲（Hz）。

科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)，人耳的聽力范圍是20-20000赫茲，當(dāng)物體振動(dòng)的頻率達(dá)到這一范圍時(shí)，就可以被耳部的鼓膜以及大腦中的聽覺神經(jīng)感受到，我們這才會(huì)認(rèn)為某一物體發(fā)出了聲音。

當(dāng)聲源振動(dòng)較為柔和時(shí)，我們會(huì)覺得動(dòng)聽、悅耳；而當(dāng)聲源振動(dòng)激烈時(shí)，我們便會(huì)覺得刺耳。

許多小動(dòng)物的聽力范圍要比我們?nèi)祟悓挼枚啵运鼈兊穆犃Ψ浅ｌ`敏，可以聽到一些我們無法感知到的次聲波和超聲波。

鋼琴是非常精密的裝置，主要由外殼、鍵盤機(jī)械、琴弦、音板和踏板等部分組成，所有零件加起來足足有上千個(gè)。

其中，鍵盤機(jī)械、琴弦和音板是鋼琴得以發(fā)出悅耳琴音的三大武器。

鋼琴的主要結(jié)構(gòu)，圖源：搜狐

對(duì)，沒錯(cuò)，鋼琴內(nèi)部也安裝有許多琴弦，琴音最初正是來自于琴弦的振動(dòng)發(fā)聲。

只不過，這些琴弦都處于緊繃狀態(tài)，內(nèi)部存在著巨大的張力，所有琴弦加起來足有15-20噸，所以我們無法像彈吉他那樣用手指撥動(dòng)這些琴弦。

而鍵盤機(jī)械的作用，就是通過杠桿原理，使我們只需要輕輕按下琴鍵，便可以使琴弦振動(dòng)起來。所以，鍵盤機(jī)械是非常重要的部件，被稱為鋼琴的“心臟”。

鍵盤機(jī)械和與其連接的琴弦，圖源：知乎

一套鍵盤機(jī)械主要由諸多琴鍵以及相同數(shù)量的擊弦機(jī)組成。其中擊弦機(jī)主要由聯(lián)動(dòng)杠桿、轉(zhuǎn)擊器、弦槌、止音杠桿等諸多部件組成，通過弦槌敲擊琴弦的方式使其振動(dòng)發(fā)聲。

單個(gè)擊弦機(jī)圖示，圖源見水印

當(dāng)我們按下琴鍵時(shí)，與琴鍵相連的擊弦機(jī)內(nèi)部的一系列杠桿機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)，使末端的弦槌得以有力地敲擊對(duì)應(yīng)的琴弦，使琴弦開始振動(dòng)并發(fā)出聲音。

當(dāng)琴鍵處于按壓狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的琴音可以持續(xù)發(fā)聲，這是由于擊弦機(jī)內(nèi)安裝有特制的擒縱機(jī)構(gòu)，可以保證弦槌在敲擊琴弦一次后便立即脫離接觸，不影響琴弦后續(xù)的自由振動(dòng)。

當(dāng)我們松開琴鍵時(shí)，琴鍵回彈，擊弦機(jī)上的制音頭立即與琴弦接觸，使其迅速停止振動(dòng)，不再發(fā)出聲響。這種及時(shí)制音的裝置可以使琴音聽起來清脆、利落。下面的動(dòng)圖展現(xiàn)了擊弦機(jī)敲擊琴弦與制音的過程。

擊弦機(jī)的工作過程，圖源：360doc

鋼琴的琴弦長(zhǎng)短、粗細(xì)不一，它們所發(fā)出的聲音也就各具特色。琴弦越短越細(xì)，其振動(dòng)頻率越高，琴音越顯得尖細(xì)；而琴弦越長(zhǎng)越粗，則振動(dòng)頻率越低，琴音就越顯得低沉。

我們按壓琴鍵的力度也可以控制琴音的音色，這是由于按壓力度可以控制弦槌敲擊琴弦的速度，進(jìn)而影響琴音的音色。

優(yōu)秀的鋼琴家一般都能夠熟練掌握鍵盤機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)造和基本原理，在調(diào)音時(shí)可以通過對(duì)擊弦機(jī)的精細(xì)調(diào)整來使鋼琴的發(fā)聲效果達(dá)到最佳狀態(tài)。

不過，對(duì)于公開場(chǎng)合演奏而言，僅憑琴弦發(fā)聲的音量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此，鋼琴內(nèi)部還額外安裝了特制的音板，利用共振的原理來放大琴弦的聲音。

共振是一個(gè)與物體固有頻率相關(guān)的物理概念，高中物理課本中就曾講過，一個(gè)物體處于自由振動(dòng)狀態(tài)時(shí)的頻率被稱為固有頻率，這種特性與外界作用無關(guān)，只與物體的自身性質(zhì)有關(guān)。

換句話說，就是每一個(gè)物體都有自身獨(dú)特的振動(dòng)節(jié)奏。當(dāng)某個(gè)物體所受到外力的節(jié)奏和它自身的振動(dòng)節(jié)奏相同時(shí)，這個(gè)物體便會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)明顯的振動(dòng)。

共振在我們的生活中非常普遍，馬路邊的建筑物玻璃會(huì)隨汽車的經(jīng)過而輕輕晃動(dòng)、海螺殼里會(huì)發(fā)出類似海浪聲的轟鳴以及輕吹小號(hào)和笛子便可以發(fā)出響亮聲音等，都屬于共振現(xiàn)象。

鋼琴的音板由很薄的木板制成，其質(zhì)地均勻，略微呈弧形，且具有良好的彈性。當(dāng)鋼琴琴弦振動(dòng)時(shí)，旁邊的音板便會(huì)由于共振的作用而同步振動(dòng)起來。由于音板的表面積較大，振動(dòng)幅度遠(yuǎn)超琴弦，因此可以將琴弦發(fā)出的聲音均勻地向四周空氣傳播，從而起到放大聲音的作用。

不難看出，鋼琴最終發(fā)出的琴聲質(zhì)量好壞與音板的擴(kuò)音性能有著密切的關(guān)系。人們研究發(fā)現(xiàn)，音板的聲學(xué)性能不僅與其外形、厚度和干燥程度有關(guān)，還與木材密度、纖維長(zhǎng)度、纖維走向以及木材細(xì)胞的微觀構(gòu)造等多種因素有關(guān)。

目前國內(nèi)外高品質(zhì)的鋼琴廠家均采用云杉或魚鱗松木材制造實(shí)木音板，以獲得較高的琴音品質(zhì)。

正在制作的音板，圖源：搜狐

鋼琴上一般還安裝了左、中、右三個(gè)踏板，它們同樣可以影響琴音的效果，是一種類似于游戲外掛的存在。

踩下左踏板，可以將琴音減弱三分之一，稱為弱音踏板；踩下右踏板，可以使琴音在松開琴鍵后也不會(huì)立即停止，稱為延音踏板。中踏板則在不同鋼琴中有不同的功能，如有的可以大幅降低鋼琴音量，方便我們練習(xí)；有的則可以使特定琴鍵的琴音獲得延音效果。

鋼琴的踏板

踏板的靈活運(yùn)用可以對(duì)鋼琴演奏起到畫龍點(diǎn)睛的效果，“鋼琴詩人”肖邦就以精湛的踏板技巧著稱，創(chuàng)造出了許多優(yōu)美的旋律。

這下我們知道了，鋼琴的發(fā)聲原理并不神秘，鍵盤是鋼琴的“手指”，用來敲動(dòng)琴弦；琴弦是鋼琴的“嗓門”，用來振動(dòng)發(fā)聲；音板則是鋼琴的“擴(kuò)音器”，用來高質(zhì)量地傳播琴音。

當(dāng)然，想要彈出美妙的樂曲，還需要一個(gè)富有創(chuàng)造力的“大腦”，你有么？

來源：soogif

參考文獻(xiàn)：

1. 高中物理選修一,義務(wù)教育教科書,人民教育出版社,2007.

2. 張致和，劉金壽，王彥亮等. 鋼琴學(xué)習(xí)使用指南[M]. 沈陽：遼寧教育出版社, 1994.02.

END

作者：流火，兵器工業(yè)203研究所工程師