钢琴的音源就是琴弦。
琴弦必须两端张挂,其中一端是牢不可动的挂弦钉,而另一端是必须牢固但可绕轴心转动的调节琴弦的音高及对应张力的弦轴。
挂弦钉(Fazioli)
弦轴板(Steinway)
弦轴板是由多层硬木分别按一定角度拼粘而成的。
像很多弦乐器一样,钢琴张挂的琴弦被弦轴与挂弦钉之间的弦枕(弦钮)和弦马“分割”,以获取适度的张力所产生的准确的音高及丰富的泛音。所不同的是,为了更好地滤波和传递振动能量,钢琴的弦马做得较宽,上面有两排马钉。
弦马(Fazioli)
马钉、弦枕/弦钮、弦枕钉与压弦条使张挂的琴弦产生一定角度,琴弦因此而得到稳固的支撑,低耗传递振动能量。
弦枕(Steinway)
弦枕条(Bosendorfer)
弦钮(Yamaha)
弦枕条及压弦条(ED Seiler up)
弦枕及弦枕钉(Schimmel up) 在弦枕和前弦马钉之间的琴弦因振动而产生乐音,其外的琴弦同样参与振动,同样产生声音成分,虽然不易被人耳识别但却影响乐音振动段的振动状况。为了获得更好的共振,一些钢琴上设置了双重共鸣器和前共鸣装置,使后(下)马钉与双重共鸣器之间的琴弦振动,前共鸣器与弦枕类部件之间的琴弦振动,分别与乐音振动段的琴弦振动成分相谐。
双重共鸣器(Fazioli)
前共鸣系统(Steinway) 综上所述,现代(平台)钢琴完整的琴弦张挂会接触到这样一些部件:弦轴,弦枕/弦钮,前共鸣系统,弦马,双重共鸣器,挂弦钉。
琴弦的张挂(Steinway)
传统弦马的制作主要要注意这样几个方面:马高,上表面宽度,底面宽度,材质,纹理,结构和重量。
Schlze Pollmann 弦马
Petrof 弦马
Pleyel 弦马
Rudolfh 弦马
Schimmel 弦马
Bosendorfer 弦马
C Bechstein 弦马
材质和纹理影响弦马对琴弦振动能量的传递性能。Steinway首次提出马冠与马干的概念,将弦马分层按不同纹理制作。
Steinway弦马
现在,甚至同一条马干也会由不同的材质制作。
Fazioli弦马 不同型号的钢琴的弦马结构也会有所不同,可见弦马结构和重量对于声音的传导有着举足轻重的作用。
Bluthner 弦马1
Bluthner 弦马2 弦马结构影响其对琴弦振动成分的滤波性能,及其对琴弦振动能量的传递性能。弦马与共振板的关系无非三点:滤波传递(什么样的)声音成分,多大的马压(琴弦通过弦马施加给共振板的压力),在何处施加马压。
想来材质、纹理和结构会影响到弦马的滤波性能。从某些名琴的弦马并非完全落在共振板之上可知,在何处施加多大的马压是影响声音传导的重要因素。为此,与其他所有钢琴品牌不同, Baldwin系统的琴弦并不落实到挂弦钉的根部,悬挂高度是依照所需要的马压值来设定的。
Baldwin 系统
(为了使振动能量低耗传递,一般来说,张挂的琴弦必须落实到所接触的琴体部件,对于挂弦钉而言要落实到其根部,仅有的例外是Baldwin系统。) 当代钢琴中,也有设计者注意到这一问题——凤凰系统消除了共振板所承受的过度马压,振动能量良好传递,无共振板延展之虞。
Julius Feurich(朱里士福里希)的凤凰系统
理论上,弦马安装到共振板中部能够更好地传递振动能量。长度适度的中、高音琴弦的弦马能够满足这一条件,而与之不同在高度上交叉悬挂的长度更长的低音琴弦的弦马则不然。为了保证低音琴弦乐音振动段的长度(影响基音频率及其谐音状况),低音弦马势必靠近共振板边缘,这就导致传递给共振板的振动能量通常不够充分。为了既保证低音琴弦乐音振动段的长度,又获取足够振动能量的传递,低音弦马经常加装马桥及垫板装置。
共振板及弦马(Steinway)
低音弦马(Steinway) 弦马贯穿共振板,带动它充分振动。为了使振动能量迅速传递,共振板一般与弦马近似同向。但这也不是绝对的。
Fazioli的音板
(在最高音区共振板纹理相垂直)
同时,为了获取足够的弦振动谐音,共振板必须向弦马方向呈球面隆起且不等厚。
共振板不等厚是为了对应马压与相对面积调整阻抗以获取均衡的传导能量与传导速度。共振板阻抗对声音的影响可以从美国技师通过在共振板上加装铜砝码和小肋木改变钢琴音色的做法得到证明。
改变共振板阻抗的铜配重块和小肋木 相关链接:Mason & Hamlin的声学模型“音叉增鸣器”
将音叉安置于底部两端带有托板的3.5mm厚的杉木板上。示范步骤如下:先敲击音叉使其发音振动,再将两托板向内略微压进,使带有音叉的杉板弯曲。此时音叉所发出的音量明显增大,延音也明显增加。这个试验证明了钢琴共振板的弧度对钢琴的音量及延音起着举足轻重的作用。
Mason & Hamlin的声学模型“音叉增鸣器”
不等厚共振板(Strunz)
为了抵抗马压,辅助共振板保持球面弧度的肋木被加装到共振板没有弦马的一面。它的排列方向与弦马近似垂直,这就加速了弦振动能量的传递。当然,这种排列方式是现代钢琴才采用的。
共振板及肋木(Steinway)
Emerson up共振板及肋木
共振板、弦马及肋木构成了音板。
振动能量不损失要求音板拥有牢固的支撑。
但是在巨大的马压之下,音板存在着延展性。
相关链接:Mason & Hamlin的声学模型2音板拱形器
将一个长短恰到好处的杉木长条(105×20×4.5mm)平放在带有两个固定终端的基座上。只需将一张名片插入杉木长条与固定终端的交接处,杉木长条就会高高隆起。这个现象印证了内框架“差之毫厘”的变化,足以给共振板弧度带来“失之千里”的影响。
Mason & Hamlin音板试验“音板拱形器”
延展性导致音板球面弧度降低,谐音成分减少,延音缩短。为了抵抗音板的延展现象,Steinway设计了独特的外壳工艺,梅森设计了“拉力共振器(蜘蛛背)”。外壳对于钢琴的声音有着巨大的影响,这也是我将钢琴外壳视作共振系统的原因。
相关链接:Steinway的边框和外壳
一架钢琴的边框和外壳(这两个概念常常一起或者交互使用)的功能是多方面的:对于铸铁架和琴弦来说,它们起着强有力的支撑作用,同时它们是音板的坚实基础。对于键盘和击弦机而言,它们又是非常坚固的平台。除此之外,它们是整架琴的外壳。
钢琴的边框分为内框和外框两个部分。外框的作用是形成弦和音板振动的外围结构,同时起到对钢琴声音增大的作用。内框上面放置音板和骨架,它必须坚实而有足够的承重力量。
在这一部分的制作上,大多数钢琴制造商都是先从内框开始,制作好内框后,将音板固定其上,然后将外围绕它并与之相粘接。
边框和外壳的常规做法
这种方法使得结构的统一性遭到破坏,直接造成了声音振动传播的散失。Steinway钢琴公司的独特方法是制造内外框的工作是同时进行的,并且是将内外框作为一个整体来制作。
Steinway 边框和外壳
相关链接:Mason & Hamlin拉力共振器
为了避免年久钢琴音板延展导致外壳弛张对钢琴音质带来不良影响(参看美森翰林的声学模型1),美森翰林制作了它非常独特的声学结构,在其平台钢琴的音板背部设一拉力共振器,俗称“蜘蛛”,用米字型钢筋将音板的栖身所在(内框架)紧紧地绷为一体。这些内框架连同外框架均以自然界的硬木之王——枫木多层胶合而成。
Mason & Hamlin 拉力共振器(蜘蛛背)
Mmason & Hamlin up拉力共振器
现代钢琴的弦列产生的十数吨拉力使铁板的使用成为必需。铁板通过螺栓与钢琴的背架相连。
在铁板应力汇集的地方,中音—次高音分档处、次高音—高音分档处和中音—低音分档处,设有铁板的铁筋。音板所承受的弦列施加给它的巨大的压力从铁筋处向两侧递减。在外壳支撑力的作用下,音板受到马压后无法向四外延展,球面弧度发生复杂的变化。同理,调律导致的琴弦应力变化也会导致音板球面弧度在一定程度上的“流动”。由此可知,调律既是确定钢琴音高的过程,也是安排音板球面弧度变化趋势,影响钢琴音准稳定性的过程。
铁板(Kawai up)
为了承受弦列数吨的压力,铁板中部安装柱顶螺丝以钢琴的背架做支承,并将琴弦的振动传递至边框与外壳,引发共振。
柱顶螺丝(Steinway)
柱顶螺丝(Fazioli)
Steinway响铃
支撑最高音区的铁板,将共振能量传递到边框与外壳。
为了在有限的琴体长度内获取音高足够低的低音,钢琴的琴弦除去使用裸弦(中、高音弦),还使用缠弦,而缠弦又分作单层缠弦(次中音)与双层缠弦(低音)两类。弦列交叉排列,即:在平台钢琴上,中音、高音琴弦与钢琴的侧边近乎平行地张挂,低音弦在它们的上方呈交叉状从左前方至右后方张挂。张挂的方式分为单挂式和饶挂式两种。为了声音均衡,现代钢琴在不同音区的同音弦组,从低音区到高音区,分别装配1-3根琴弦。
缠弦
绕挂式和单挂式张弦
为了使琴弦的振动状态产生变化,人们采用了一些装置。
Bluthner为了增强高音区的共振,采用了四弦弦组,其中第四弦独立悬挂,与其他三弦产生共振。
Bluthner 高音区同音弦组(第四弦为共振弦)
Kawai增加了低音弦,获取共振和声。
KAWAI up 的共振弦(多出来的那两根低音弦调五度)
Bosendorfer 帝王
最左边的9个音起增加共鸣的作用 对于控制琴弦振动而言,最为不可少的是制音器的采用。它使演奏者可以随意控制抑制琴弦振动的时机,使获取清晰的声音和强大的共鸣成为可能。由于琴弦的振动能量不尽相同,为了获得相对平衡的共鸣感,制音器只覆盖弦列的一部分,留下最高音区的近两个八度的裸弦弦组不受制音器的影响只作完全振动与共鸣。
制音器的覆盖区域(Fazioli) 由于弦组内琴弦的排列方式不同,为了获取最佳制音效果,制音器音头毡采用了不同的外形。在中、低音毗邻的裸弦弦组有可能采用组合形式的音头毡。
音头毡的种类
在最靠近最高音的覆盖3弦弦组的制音器音头上,有可能采用覆盖1-2根琴弦的音头毡,以此来获取制音效果的良好过渡。
过渡制音头(Yamaha up)
在振动能量较大的裸弦弦组有可能使用辅助制音头。
辅助制音头(Yamaha up)
现代钢琴的制音器通常由踏瓣控制。踏瓣使演奏者可以同时开启全部的制音器,延留住已经打开的制音器,减少击打同音弦组的琴弦数量以改变振动能量,改变弦槌击弦距离以改变击弦力度,或者降下弱装置改变弦槌触弦的状态。
制音器开启装置及键盘平移弱音装置(Petrof)
Toyo Apollo SSS系统
(制音器与击弦机分离,键盘和击弦机在左踏瓣作用下可以向右横移,如同平台钢琴一样通过减少弦槌击打琴弦的数量进行弱音。)
弱音装置(kawai)
延留制音器装置(Renner 模型)
延留制音器装置(Kawai up)
四踏瓣装置(Fazioli)
踏瓣功能分别为:抬起全部弦槌,减少击弦距离;右移键盘、击弦机,减少弦槌击弦数量;延留制音器回落;开启制音器。
四踏瓣装置(海伦)
海伦谐振踏瓣装置的琴内部分
相关链接:海伦谐振踏瓣
踏瓣分两级。第一级制音器全部打开,每弹一个音之后,此音的制音器会下落制住此音,但是其它音的制音器仍处于打开状态,被制住的音的能量会带动其它未制音的琴弦振动产生谐音。继续踩下踏瓣会将下落的制音器再次打开,钢琴处于全部共振的效果。 |