乐器中的物理学现象分析

张华婕

摘要：在美妙的音乐中，种种现象均与物理学有着极为广泛的联系，本文对管乐器、弦乐器、电子乐器的中的物理现象进行分析，探究其究竟利用何种物理学的现象发出声音，对乐器的发声原理进行解密。

关键词：管乐器;弦乐器;电子乐器;物理学原理

一.前言

音乐具有描述人类生活现象，表达人类感情的作用，它是能够触动人类心灵的一种艺术表达形式。每当优美的旋律响起的时候，人们往往会不自觉的融入到音乐的氛围之中，用耳朵来感受音乐带给我们的体验。但是，我们在欣赏优美的旋律同时却基本上很少有人去关注这样优美的旋律是通过何种物理学原理产生的，对于产生这些优美的旋律便是由于音色的不同来决定的。然而，音色是人们对声音的感官特征，它取决于发声体的材料和结构。不同类型的发声体具有不同的音色，因此人们可以根据不同的音色区分不同的声音。音色作为判断乐器品质的重要指标之一，为了改变成品乐器的音调，通常从本身出发作出改变，或者改变部件的材料，或者改变原始形状，有时，还会将某些演奏技巧用于改变乐器的声音品质。实际上，这些优美的旋律都与振动有关系，只有通过乐器的振动才能表达出这样优美的旋律。

二.管乐器的物理原理分析

管乐器是在表演中会经常使用的一种乐器，无论是传统的民族乐器长笛还是西洋乐器萨克斯，都属于管乐器的一种。管乐器的声音主要是通过弹奏乐器时空气柱的振动而产生的，并不是简单的将空气吹入管子中就可以发出声音，所以必须要在管口中加上一些特殊的装置。在加入特殊的装置后，乐器会随着人不断的吹气而产生一系列连续的气流，从而引导空气柱产生振动，发出我们所需要的声音。

为了区别发音体，可以分成气簧、芦簧、唇簧三类。首先，气簧所运用的物理学原理为将乐器的演奏者发出的气流作为发音体，运用这类物理学原理的乐器主要有长笛、竹笛、长萧等等。这类的乐器在演奏的过程中是利用一股气流将其吹到孔中，气流与孔边部分发出碰撞，气流由此产生分裂，大概有50%的气流流动到孔外，有50%的气流留在管内，形成涡旋效应从而发出一系列的声音。对于这种物理现象可以利用这样的一种场景来描述。当风吹过旗杆的时候也会产生涡旋效应，旗杆会随着风飘动并不断的发出声音，这即为“边棱音”的发声原理。

其次，我们再对芦簧如何发声进行分析，它的发音体是芦簧的簧片，他所发出的声音真是由这种特别的簧片产生的。这种簧片有单簧片和双簧片，簧片的上端可以随着气流而发出振动，簧片的下端被安装在乐器上，当气流进入簧片时，依据流体力学中的伯怒利原理：气流流速增大，压强减小。可以用这样一个实验来说明其运作的原理：我们在双手各持一张纸，让两张纸处于平行的位置，并保持着一定的距离，并让两张纸自由下垂，然后人在对着两张纸之间的缝隙不断的吹气。可以观察到两张纸在不断的靠近，这是因为在我们吹气的过程中两张纸之间的气流流速不断的增大，压强不断的减小。在气压的作用下，两张纸就会不断的靠近对方。簧片的工作原理与此相同，我们在芦簧的演奏过程中就会看见簧片出现一开一闭的情况，如此往复形成一开一闭的情况，从而产生了空气柱的振动。

最后，唇簧的发音体是吹奏者的嘴唇，利用这种发声效果懂得乐器有长号、短号、圆管等铜管乐器，空气主产生振动发声是因为嘴唇的直接作用。在乐器的的演奏过程中，当气体吹入到乐器的过程中，人的嘴唇会被吹开，在气流和嘴唇弹性的作用之下，嘴唇又会闭住。周而复始的一开一闭，这样就导致了乐器的吹口处发声不断的振动，形成声波而产生音乐。

三.弦乐器中的物理学原理

弦乐器这也是一个重要的乐器分类之一，优美动听这是弦乐器的重要特征之一，他们具有统一的音色，因此在演奏的过程中也具有多种类的表现特色。弦乐器的发声原理是通过机械的力量使得琴弦发出振动而发出声音。弦乐器种类的不同这样使得弦乐器在发音上具有不同的特色。因此在演奏的过程中要灵活的利用自己的手指来掌控乐器，实现对乐器的控制，来不断的发出高低音，从发音的方式上进行区分，可以将弦乐器分为弓拉式的弦乐器和弹拨类的弦乐器。这些乐器都需要演奏者通过弓和弦的相互作用来发出声音，弓和弦发出声音是通过二者之间相互的滑动摩擦力而产生的。物理的研究表面滑动摩擦力的產生需要两个物体的表面有接触并且，二者之间相互的挤压，两个物体之间处于相对运动的状态之中。

在弦乐器的发声过程中，弦在发声中起着至关重要的作用。以大提琴为例，大提琴的长而粗的弦发出的声音是低沉的，短而细的弦发出的声音的高昂的。在演奏开始之前，演奏者需要事先进行调弦，这就是调整琴弦的张力来不断来使得音乐发出标准的音色。

四.电子乐器的物理学原理

随着时代的发展，通过对物理学原理的利用，现代化的乐器由此产生。电子乐器可以分为以下两种，第一种是通过在乐器上增加一些扩音设备来增强乐器的表现力。比如电提琴、电吉他等等。另一类乐器完全是通过电子的震荡而实现音阶的重组。比如电子琴，电钢琴等等。传统乐器因为所使用器材的差异，不同的乐器是无法发出相同的音色的，但是电子乐器能够利用音色的合成而制造出不同的发音效果。

五.总结

无论是何种乐器的都于物理学有着明显的联系，乐器的不断发展也需要物理学理论的支持，只有合理、科学运用物理学理论，才可以改变其发音特质，从而达到丰富演奏风格和满足环境所需演奏要求，音乐也由此成为了物理学的一种重要表现方式。

参考文献：

[1]靳婉宜.从提琴制作的声学原理浅谈合理运弓的教学应用[J].乐器，2017 （11）：63-65.

[2]杨健.小提琴运弓和发音的声学基本原理—从《试论小提琴弓对弦压力的物理特性》等文谈起[J].南京艺术学院学报（音乐与表演），2018 （4）：43-47.

[3]孙嘉琦.中国民族管弦乐队弹拨乐器“基音缺失”现象调查研究（上）——以琵琶和三弦为例[J].乐器，2017 （07）：25-27.

[4]刘德崇.以小提琴为例分析乐器音色改变的几种物理现象[J].中学物理教学参考，2017，46 （16）：62-63.