现代乐器中的物理学常识探讨

魏雷

摘 要：现代乐器与物理学之间具有十分紧密的联系，从物理意义上来说，乐器是根据物理学常识人为制造的能产生声音的物理仪器。鉴于此，本文先是阐述了现代乐器的种类，由于现代乐器中蕴含的物理学常识较多，本文无法一一进行阐述。因此，本文以管乐类乐器、弦乐类乐器、电子乐器的发音为例，详细探究其中蕴含的物理学常识，希望能对我国现代乐器行业的发展和进步提供一定的借鉴。

关键词：现代乐器;物理学常识;管乐器;弦乐器;电子乐器

1现代乐器的概述

乐器是指能发出乐音的、能进行艺术在再创造的器具。现代乐器的种类较多，主要分为以下几大类：第一，键盘类乐器，主要有钢琴、风琴等。第二，管乐类乐器，主要有笛子、萨克斯等。第三，弦乐类乐器，主要有小提琴、大提琴等。第四，打击乐乐器，主要有风铃、架子鼓等。第五，吉他类乐器，主要有吉他、贝斯、尤克里里等。

2管乐类乐器中的物理学常识

管乐类乐器是一类较为常见的乐器，现代乐器中的萨克斯、长笛、大号等乐器都属于管乐类乐器，此类乐器的发声原理是空气柱振动而产生乐音：当在吹奏管乐类乐器时，表演者通过抬起不同的手指以形成长度不同的空气柱，空气柱的长度与音调高低成反比（空气柱越长，音调越低;空气柱越短，音调越高）。但这一原理的具体表现又会因乐器的不同材质而不同。木质的管乐类乐器（长笛、笙、洞箫等）在管体开孔，以手指按压控制孔的开闭以改变管内的振动空气柱的长度，进而形成驻波，发出演奏者所需的乐音。铜制的管乐类乐器（萨克斯、弹簧管等）是通过活塞或伸缩控制振动空气柱的长度。但仅仅将简单地将空气吹入管子中部分乐器是很难发声的，很多管乐类乐器都在管口上加上某些特殊的装置或发声体，通过演奏者的吹气演奏可以迅速产生连续、有节奏的气流，使空气柱产生振动、形成驻波，进而发出演奏者所需的乐音。

根据发音体的不同发音，可以将管乐类乐器分为气簧、芦簧、唇簧等三类。第一，气簧管乐类乐器（长笛、萧、短笛等）将利用“边棱音”将演奏者呼出的气流作为发音体，将气流吹入孔中，使其与吹孔对面的尖锐边缘进行碰撞以使气流产生分裂，在这过程中，大约有三分之一的气体会散发到孔外，三分之二的气流会进入管中形成涡旋、发出声音。第二，芦簧管乐类乐器（单簧管、双簧管、萨克斯、唢呐等）的发音体是芦苇簧片，其上端可自由振动，下端则被固定在乐器上，在演奏者呼出的气流进入簧片间的空隙（单簧夹片间的窄孔），若气流流速加大，压强就会减小（这是流体力学的伯努利原理）即无论是液体还是气体，只要其流速增加，压强就会减少。簧片也是如此：当簧片间的气流增加后，其向两侧的压力减少，簧片关闭;簧片间的气流减少或没有气流（停止吹奏）簧片就会在弹力的作用下恢复原状。经过上述情境的反复循环，芦簧就会进行一开一闭的振动，向乐器口周期性、振动性的进气，从而使空气柱产生振动，进而使乐器发生乐音。第三，顾名思义，唇簧管乐类乐器（长号、圆号、短号等）的发音体是演奏者的嘴唇（“以唇代簧”）。在实际的演奏过程中，演奏者把肺部气体送入号嘴中，将嘴唇中间吹开，使气流进入管中，在气流与嘴唇弹性的双重影响下，嘴唇就会闭住;随后，气流又会冲开嘴唇，然后再闭上，通过一开一闭反复循环的振动，乐器的吹口处就产生周期性、振动式的进气，进而使管内的空气柱产生振动，形成演奏者所需的乐音。

3弦乐类乐器的物理学常识

弦乐类乐器（小提琴、大提琴等）是现代乐器的重要组成部分之一，它能有效演绎用以抒情的旋律，且音色较为统一，具有极强的表演张力。此类乐器的发音原理主要是通过机械力量使绷紧的琴弦振动，进而使其产生声音。弦乐类乐器共鸣箱材质与琴弦的长短、材质、绷紧程度等因素都会影响弦乐类乐器的音量与音色，若琴弦的长度较短、琴弦较细、绷紧程度较高，乐器发出的音调就较高;若琴弦的长度较长、琴弦较粗、绷紧程度较低，乐器发出的音调就较低。此外，乐器发出声音的高低还取决于琴弦振幅的大小，一般情况下都会采取木制的共鸣箱以增强乐器的音量，使其发出洪亮的声音。演奏者在演奏时仅仅依靠琴弦是远远不够的，大部分音阶都无法通过琴弦演绎，还需要演奏者能灵活运用自己的手指，通过手指按压的方式人为地改变琴弦的长度，进而有效控制乐器的高低音。

根据弦乐类乐器的发音方式不同，其大体可以分为弓拉弦鸣乐器（大提琴、小提琴等）和弹拨类鸣乐器（吉他等）这两类。第一，在演奏弓拉弦鸣乐器的过程中，演奏者需要使用琴弓，通过其与琴弦之间的相互作用使琴弦有规律的振动，在共鸣箱的作用下发出较为悦耳的声音。在琴弓与琴弦之间的相互作用主要是通过滑动摩擦力来发生作用的，这是一种最基本的相互作用力，通常产生于相互接触、相互滑动的物体之间。相关研究表明，要想产生滑动摩擦力就必须要满足以下条件：物体之间相互接触;物体之间产生挤压;物体接触面要粗糙;物体之间有相对运动或相对运动的趋势。其中最为关键、重要的是“物体之间产生挤压”这一点，这就要求演奏者在使琴弓与琴弦发生作用时必须要对其进行适当的按压以使其产生摩擦力，也就是琴弓通过摩擦带动琴弦产生振动。第二，弹拨类鸣乐器的发声原理是演奏者用手指拨动、按压琴弦使其发出声音。弦对弦乐器具有至关重要的作用，演奏者在开始演奏前通常都会先进行调弦即通过改变琴弦的张力以调节音调。将琴弦调整到标准音调之上就会使音色更为明亮，要想使音色暗淡就可将琴弦调到标准音调以下。

4电子乐器中的物理学常识

随着经济社会的发展和科学技术的进步，在各种各样乐器得到长足发展与广泛应用的同时，乐器设计与制作中开始应用越来越多的物理学常识及物理技术，新型的电子乐器也开始出现。制作电子乐器的主要有两种方式：改造传统的乐器、制作新型的乐器。第一，改造传统的乐器即在现有传统乐器的基础上添置一些扩音设备或优化音色的设备，进而有效改善或改变传统乐器的艺术演绎效果，这种方式制作的仪器主要有电吉他等。第二，制作新型的乐器即以电子振荡器为主的组成音阶的新型乐器，此类乐器的代表为电子琴。在应用传统乐器进行表演时，由于乐器材质和发声原理的不同，各种乐器发出的音色也是不同的，即小提琴无法奏出钢琴的音色、琵琶演奏不出唢呐的声响等，但电子琴能有效改变这种困境，利用音色合成系统演奏出不同的声音。此外，电子琴还能应用其他的辅助系统自动产生各种音响效果，这能使较为复杂的演奏过程简单化，使一台电子琴的演奏具有整支乐队的效果，有效提升音乐演奏的效果。

5结语

总之，现代乐器的发展与物理学常识是分不开的。不同乐器的发声原理都是不同的，这仅仅是现代乐器中蕴含物理常识的一种重要表現形式，同时也正是因为物理学常识的发展与应用，现代乐器才能取得巨大的发展与进步。相信随着物理学的发展与普及，现代乐器的发展必将取得更大的成就。

参考文献：

[1]李莉. 现代乐器中的物理学常识[J]. 中学物理教学参考，2017，46（20）：56-57.

[2]李桂梅. 常见乐器的物理学原理举隅[J]. 中学物理教学参考，2018，47（16）：83-84.