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举例说明乐器中的物理学
李培尧
（安阳正一中学,河南 安阳 455000）
摘 要：乐器是什么,从物理上说,它是一种为人所制造的可以产生音乐声的一种物理仪器.乐器主要有弦振动、空气振动、簧片振动、电子振动等发声方式.音乐的构成基础是物理,音乐也是一种声音,物理要素就是频率、强度、和时值,对应音乐中的音调、响度、时值.这三者外加一个音色组成了音乐的基本要素.音乐是建立在物理规律之上,乐器同样如此.
关键词：乐器 物理 震动 钢琴 鼓
中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）02-0137-01
根据高中的物理知识,可以知道声音是由振动产生的.无论什么样的乐器都离不开振动二字.乐器虽然五花八门,但是结构大体上都有发声体、传声体、共鸣体和附件四部分.乐器有着各种分类方式,自古至今,把形形色色的各国、各民族、各时代的乐器以科学的方式分类是一件很复杂、困难的事情.我国古代有以制造乐器的材料分类的“八音”即金、石、土、革、丝、木、匏、竹；也有以发声体分类的即体鸣乐器、气鸣乐器、膜鸣乐器、弦鸣乐器等；也有以演奏方法和演奏机制分类的即吹奏乐器、拉弦乐器、弹拨乐器、吹打乐器、敲打乐器、键盘乐器等.但是较为科学、合理的还是按乐器发声的物理机制分类,如弦乐器（又分拉弦、拨弦、打弦乐器） ,管乐器（又分无簧、有簧管乐器） ,簧振乐器,膜板乐器和电子乐器等 [1] .
一、弦乐器
顾名思义弦乐器是以弦振动发声的乐器.钢琴是打弦乐器的代表,被称为“乐器之王” ,当然是因为它有着非常显著的优点.1.钢琴的音域非常广,发音频率从27.5Hz到4086Hz.2.它的音量很大,系弦板使用钢板,使弦的张力增大.加大体积,改进音板,增强共鸣,可以在音乐厅独奏同时保证演出效果.3.同时按下几个键的时候可以发出和声,脚踏板可以大大扩展和声的效果.4.琴弦紧紧固定在一块钢板上,一根弦被击打,其他的弦会同时受到影响发出谐波,所以谐波特别丰富.5.击弦机具有一系列复杂的机构可以轻松控制音量,从5dB到80dB都是随心所欲的,演奏的时候有着千变万化的表现力.钢琴的奥妙虽然多,但是归根结底还是琴弦的功劳最大.不同的琴弦产生了不同的声音,看似相同的琴弦,细细观察会发现其实是各有不同的.在弦振动的驻波实验中发现弦长L等于半波长2λ的整数倍,即2λn L 等于（n等于1,2,3,…）时,出现形状稳定的波腹和波节,这种振动称为两端固定弦的本征振动,当n等于1时,λ 有最小值,此频率被称为基频.振动弦的音调就是它的基频频率.假设弦线是均匀的圆截面线的话.基频频率可以写作π ρFL df11 等于,从公式中我们可以发现决定音调的主要因素有四点：弦长、张力、密度、直径.也就是说弦长越短、张力越大、密度越小、直径越细,音调越高.
二、管乐器
管乐器是乐器中的一大家族,主要有各种形状的管状体和激声系统构成,它们的共同特点是通过管中空气柱振动作为声源.中国的笛和萧是木管乐器,材料主要是竹、木、塑料.为了获得不同的音调,木管乐器通过在管体开孔,手指的按压控制孔的开闭的方式来改变管的内振动的空气柱长度,这些与管乐器中的铜管乐器是不同的,铜管乐器更多使用活塞或是伸缩来控制.笛子与萧因为不止吹口处与外界相连,按照分类都是开管乐器,只有吹口与外界相连的是闭管乐器,这两种乐器的发声有一些不同.如图1,根据空气柱驻波实验中音叉在管子上方开口处振动,传至管底,调节水面的高度,当高度合适的时候,声音会由于驻波的形成而增大.驻波的波形就是管底水面处是波节,而上方开口处是波腹,然后持续降低水面,接下来会在下面几个地方同样发生共鸣,设第一次共振的地方是N 1 ,下面依次是N 2 ,N 3 .N i 与N i+1 的距离是半个波长.则有公式Lvn f4等于n等于1,3,5,…
如图2,闭管与开管的驻波是不同的,开管的两端都是波腹,所以开管的频率计算公式为Lvn f2等于n等于1,2,3,…这些是简化了的分析,实际中驻波在开口的波腹是在管口外的一个位置,因此乐器制作有一个“管口校正”的说法,有效管长比实际管长要长,计算时要根据乐器的不同有一个修正值△L.我们知道波长与波速和频率有关,有 f v λ 等于 .而波速在理想气体中有μγ R Tv 等于,其中T是热力学温度, γ 是比热容,R是玻尔兹曼常量, μ 是空气的平均摩尔质量,所以当温度变化的时候,会导致乐器的音调发生微小的变化,音调随着温度升高而略有升高 [2] .
三、打击乐器
借助捶打、敲击、抓奏、刮奏、摇奏、弹拨等方法几乎可以使任何刚性物体发声.打击乐器就是利用这种方式发出乐音的乐器.典型乐器有各种各样的鼓,木琴,编钟,还有特殊的如三角铁,摇铃,木鱼等.鼓可以说是打击乐器的代表了,军乐队有大鼓、小鼓；管弦乐队有定音鼓；舞蹈用有铃鼓；中国民乐有大鼓、堂鼓、板鼓、手鼓、长鼓,各有千秋,不一而足 [3] .钢鼓是有调的板振动乐器,这与人们印象中的鼓不太一样,那些是靠膜振动发声的传统的鼓.钢鼓将表面的钢板分区,然后将每区的中间敲成微凸,在分界的边界刻成1毫米的浅槽,使各区的振动被分开,每个分区的调音通过改变厚度来实现.板振动以刚性作用为主,因此高次泛音频率增加较快,板的基频有一个较为复杂的公式22 2) () 1 ( 3 2m nm nErhf βμ ρπ?等于,这之中h为板的厚度,r为圆板半径, ρ 是材料的密度, μ 是泊松比,m nβ 是与第mn次的泛音有关的系数,脚码表示两维阶次,具体的 不再列举.板振动的乐器振动的波形可以利用实验观测却难以计算,而且厚度均匀的板的泛音是不和谐的,要利用截面厚度的变化,使乐器发出和谐的泛音.
乐器的发声、音调、响度和音色以及乐器的制作、调整方法都与物理原理有关,乐器是艺术与科学美的结合.多了解一分乐器中的物理原理,对乐器不仅知其然,更知其所以然,也是一种乐趣.
物理学论文范文结:
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