碳纤维在西洋管乐器中的应用

顾君怡

（江苏省南京艺术学院，江苏 南京 210013）

碳纤维，是一种新型的复合材料。对于管乐器制造者来说，新材料的出现，给乐器制造业带来了一个新的尝试。近年来，前人已进行了多次实验与研究，无论是个体管乐器修造者或是企业中的管乐器制造厂，对于“碳纤维”在乐器中的使用，都有了一定的经验与技术积淀。笔者在乐器展览中，对于碳纤维在西洋管乐器中的应用颇有兴趣，从碳纤维材料本身的特性出发做了一些探究。行文若有不妥之处，还请前辈指正。

一、西洋管乐器中的碳纤维

金属和木材是常见西洋管乐器的制作材料。纤维，是一种带有连续性的丝状材料。西洋管乐器中的碳纤维，是运用于乐器管体，通过有机纤维，经过热处理工艺得成的一种复合材料。以高强度、耐高温等性能，位于近些年新型复合材料前列。目前，碳纤维也逐渐开始运用到西洋管乐器中，为西洋管乐器的构造、性能、发音等，做出了一系列的创新。

二、西洋管乐器中碳纤维的特性

目前大部分西洋管乐器的管身，使用的是传统材料，如铜、银、其他合金等金属材料，并附以电镀等一些后加工方式成形。碳纤维是一种微晶体结构，在超高温的处理下，对于空气氧化等，有很高的抵抗性。在乐器使用过程中，碳纤维利用自身特性，有效抵抗住周围环境的氧化和腐蚀的能力，即为碳纤维的耐腐蚀性。管乐器制造的最终目的是能够满足使用者的需求，在保证质量的前提下，提供尽可能长的乐器使用寿命，碳纤维作为一种复合材料，最大限度地给乐器提供优质的使用条件，有效地避免演奏者在长时间演奏下出现的主观破坏现象，如唾液、手汗造成的乐器表面缺陷。

碳纤维有良好的耐疲劳能力。西洋管乐器，在使用的过程中，会发生断裂、弯曲等不良现象，乐器的物理机械性能会退化与破坏。碳纤维对此类缺陷的应对能力，即为碳纤维的耐疲劳性。西洋管乐器中的碳纤维密度较低、比模量高，力学性能良好。在西洋管乐器中的有效部位使用碳纤维，不易甚至不会出现弯曲和损坏的现象。例如长号拉管等铜管乐器，日常演奏时会发生不可预料的“乐器卡顿”现象，而碳纤维能够有效地降低该故障发生的可能性，从而为乐器的使用提供保障，演奏者不会因乐器的质量问题影响到正常的演奏进程。

声音是一种波，制造西洋管乐器的原材料不同，乐器发出的声音也不同，对于管内空气振动也有影响。碳纤维因为是增强型复合材料，抗拉强度也很高，本身的重量也很轻。在西洋管乐器中，如小号的喇叭口，可以有效利用碳纤维。随着碳纤维在原始材料中的含量越来越多，西洋管乐器的弯曲强度和抗压强度都会逐渐提高。利用这一点特性，可以在长号拉管、萨克斯管弯脖处利用碳纤维。低阻气流经过中等口径碳纤维管乐器，会使演奏者感觉在吹奏大口径的乐器，可以增强对声音的控制，使演奏者不用太费气力，便可达到自己演奏的要求。

对于管乐爱好者来说，最关注的莫过于乐器的质量和音色。管乐器中的共鸣，是一物体对另一特定音的反应，乐器的良好共鸣是产生好音色的基础。多年来，乐器市场对于传统材料已经进行了有效开发。碳纤维，作为新型复合材料，在制造管乐器的后期工程里，乐器制造者往往会对乐器进行声学测试，这是一个主观与客观相结合的过程。以小号喇叭口为例，一部分人认为声音是以梯形的结构向外扩散，但是忽略了一点，声音是以波形从管乐器喇叭口向外扩张，从某种意义上看，“螺旋状”更贴近声音传播的具像化效果，因为材料与材料之间存在区别，喇叭口每一小层声音振动的频率都不一样，不是一个均匀的振动过程。根据碳纤维的结构可以看出，碳纤维对低频赫兹之间的振动，感应较小甚至没有反应，在乐器演奏的过程中有很好的收音效果。对于西洋管乐器爱好者来说，演奏时会有一个较为稳定的音色。

如果说音色稳定，是西洋管乐器爱好者判断一件管乐器好坏的标准之一，那么西洋管乐器的使用便携度，即是管乐演奏者选择管乐器的另一附加条件。无论是传统黄铜，或者是复合型材料，在管乐器的整体结构上并没有太大的差异。碳纤维重量比较轻，在西洋管乐器中，碳纤维可使整个乐器更灵活地进行演奏。大幅度地为西洋管乐器演奏者提供更大空间的创新，手指可以灵活按键、乐器表面的手感也非常舒适、气流以及乐器振动与演奏者之间的共鸣感也更和谐。演奏者在携带时，也较为轻便。

西洋管乐器的演奏大都需要依靠演奏者的气流，管乐器是通过气体激励空气柱振动发音。在演奏管乐器的过程中，空气中的阻力和摩擦力会使声音间接进行“阻尼振动”，在声音通过管乐器管壁时，会出现能量损耗的现象。对于初学者来说，气息的把握需要一定的时间，碳纤维有助于管乐演奏者在演奏乐器时，减少气息的流失。部分声学设计师和乐器制造商，利用碳纤维，使空气中的能量损耗达到最小化，更好地进行管乐器发音。对于初学者来说，碳纤维管乐器可帮助其快速地熟悉乐器，减少不必要的气息损耗，合理利用并练习气息的使用，逐渐掌握演奏要领。对于专业型演奏者来说，碳纤维的出现，会获得一种异于传统材料的手感，在演奏碳纤维管乐器的时候，演奏者嘴部气息与管壁之间产生的共振，与传统材料所带来的共振不同，碳纤维材料呈现的是一种轻透感，这样的共振，在进行高低音转换演奏时，手部换键和气息维持显得更加灵敏。在减少能量损耗的同时，音与音之间的切换也很清晰。与传统材料相比，碳纤维西洋管乐器对乐器的直接控制效果，显得更加新颖。

三、碳纤维在西洋管乐器中的应用

西洋管乐器中的铜管乐器，大部分为唇振乐器，常用的有小号、圆号、长号、低音号等。随着碳纤维的出现，铜管乐器在制作的过程中，采用“局部碳纤维”的模式，即一部分管体用传统材料，另一部分管体使用碳纤维的方法。

材料的使用会影响西洋管乐器的共鸣，空气柱的形状也是影响发音的重要因素。例如小号，常见的铜管乐器之一。唇振乐器，可以通过气流进入管乐器中，根据改变演奏者嘴唇张力，对乐器进行整体振动、1/2振动、1/3振动等，声音对于不同长度空气柱的振动，会演奏出对应的各种音，强奏与弱奏的好坏会影响泛音的产生。轻体碳纤维小号，一种新型材料运用在管体上的成果，此类小号在喇叭口使用碳纤维复合材料。当演奏者的气流经过主体管产生共振时，声音通过喇叭口进行扩散。根据碳纤维的特性，气流经过喇叭口时，空气柱的阻碍降低，低阻气流的出现，使得原本一倍的声音效果，扩大至多倍。简单地说，演奏者在使用碳纤维小号时，与传统小号相比，在相同声音效果的情况下，演奏者使用的气力降低，在保证小号音色稳定的基础上，碳纤维的整个乐器的音色也很出彩，演奏者的气息不会僵硬，高低音区的切换也比较灵活。铜管乐器的喇叭口是非常重要的部位，喇叭口有连接型、一体式等。对比而言，一体化的碳纤维喇叭口结构，对于音色效果会有更良好的呈现，声音通过一体化的喇叭口更为饱满和立体。如今，演奏者对于碳纤维管乐器，会有一定的“怀疑”，一是源于碳纤维材料的“新颖”，二是对传统材料的习惯与信任。演奏者对于新材料的犹豫可以预知，但实际上碳纤维的特性，展示了它与传统材料的区别，这样的区别并不是阻碍新材料被大众接受的因素。相反，由于碳纤维独特的性质，演奏者在了解碳纤维材料的基础上，会提高对碳纤维管乐器的接受度。以碳纤维的稳定性为例，西洋管乐器中的碳纤维结构类似于石墨，是一种六边形网状排列叠加组合而成，就稳定性而言，并不比传统材料差。在演奏的过程中，每一个音符都可以清晰地进行演奏，气息平稳的情况下，不存在杂音等现象。与传统材料黄铜相比，声波在碳纤维管体内部振动的四周，“杂质”较少，更好地体现了碳纤维的音色稳定性。

长号在铜管乐器中是一个较为特殊的存在，与按键式的号类乐器不同，长号的演奏依赖于伸缩拉管。从长号的历史演变进程来看，自15世纪初在欧洲出现后，一直保持着拉管这样的基本结构。拉管是长号的核心，伸缩拉管的正确使用是保证长号演奏的前提。在西洋管乐器的维修中，经常会出现长号拉管卡顿等现象，演奏者在长时间演奏和使用乐器下，拉管内部会残留一些杂质和污渍。碳纤维制成的长号拉管，抗氧化能力较强，且耐腐蚀，有效地延长了乐器的使用寿命。碳纤拉管进行高低音转换时，演奏触感和音区转换都很灵活。碳纤维制成的长号，为演奏者提供相对而言较为简单的“滑块”运动。碳纤维的特性促使长号表面不会弯曲或者凹陷，演奏者在使用的过程中，大大降低了乐器损坏的风险。相对于黄铜等传统材料，碳纤维为长号提供了不同的演奏手感，以至于确保拉管内外的缝隙达到最小值。碳纤维为长号预留出演奏时仅需滑动的空隙。在乐器制作的轻工业标准当中，对于唇振动的气鸣乐器，都会有通用的技术条件,例如活塞的气密性根据不同的直径，会有相应的最大变化间隙值；调音管和附管内外配合的最大间隙理论上不能大于0.15mm等。碳纤维长号，在拉管滑动的过程中，演奏者拉动外管，与内部附管交替滑动时，两管之间不会显得狭窄或过于空旷。这样在音区切换的过程中，演奏者拉动长号时，手感更为整体化，对于音色的把握也会显得更加丰富。碳纤维在长号中的新技术应用，增强了长号演奏的声音、音区切换的速度以及整体的演奏舒适度。拉管是长号的主心骨，轻体拉管的完成，给新材料的未来提供了一个发展方向。

“局部碳纤维”的模式不仅在铜管乐器中得以体现，在木管乐器中也有实际应用。在西洋管乐器中，常见的木管乐器有单簧管、双簧管、长笛和萨克斯等。传统单簧管大多是木质；长笛、萨克斯等一般为金属或合金制成。以萨克斯管为例，萨克斯的弯脖管是连接笛头和主体管的桥梁，用碳纤维代替传统材料制成的弯脖管本质与铜管乐器基本相似，目的在于让演奏者使用较少的力量进行高音区的演奏，萨克斯的音色会被更好地呈现，在现场演奏的声音会完全打开，并且，演奏者有更大的自由发挥空间，符合萨克斯这一乐器的特点。

乐器的管体是影响发声的重要因素，碳纤维在管体上的应用，考虑到管乐器发音原理，暂不能将影响发声的部位进行全面的“碳纤维替换”，所以采用“局部替换”的模式，声音从吹奏部位进入管体的过程中，依靠气息带动空气柱振动进行传播。当声源部分进行振动的瞬间，声音以点向面，朝扩音部位进行发散。西洋管乐器中的碳纤维，不仅仅是为了减轻乐器重量，更重要的是优化了管乐器发音振动而存在，减少演奏中的能量损失。“共鸣的好坏”是判断管乐器质量的标准之一，西洋管乐器的共鸣感，一是乐器自身与介质之间的共鸣，二是乐器与演奏者之间的“共鸣感”。乐器自身依附于制作乐器的原材料，声波在管体内部进行碰撞的同时，每一面都会反射，并且会进行多次反射。声波穿梭在乐器管壁与介质之间，来回交替，不断产生共振，从而得到演奏者需要的音色。演奏者追求西洋管乐器的共鸣感，不仅是乐器个体的振动，更追逐于乐器振动带来的“演奏手感”。碳纤维的饱和度，让演奏者在演奏时，口腔与手部形成了一种气流与乐器触感之间的感应效果。

演奏者听到的西洋管乐器声音，大部分来源于管乐器周围的空气振动，而不是单一的材料振动。乐器音色受空气柱的影响，并且乐器中的管壁振动会影响演奏时的灵活度、气力和速度等。管乐器的每一个音色，是不同频率的振动叠加而成。碳纤维制作的乐器，亦会考虑声音的成分。乐器制造的目的是进行更好地演奏，当乐器处在不同环境中，如音乐厅、录音室等，声音的传播就开始与空间音乐声学有关联，乐器本身的音色与环境配置标准，是影响听众感官的重要因素。碳纤维从声音的整体性出发，会给演奏带来暖声调。碳纤维材料能够在管乐器各个部分之间提供较为独立的“硬度”和“刚度”。这样一来，管壁振动对乐器音色的不良影响会有所降低。碳纤维零部件十分坚固，不易产生凹陷和断裂，保证了西洋管乐器的质量。

碳纤维在西洋管乐器中依然有很大的发展空间。新型材料的出现，是对传统材料的一个挑战。传统材料给西洋管乐器带来的经典效果，新型材料是否可以延续并加以创新，这一问题也很值得管乐器修造者们继续进行探讨。西洋管乐器的种类有很多，不仅有传统金属制成的管类乐器，也存在木制乐器。若使用碳纤维对一些木制管乐器进行改良，以及对一些铜管乐器的配件进行研制，在不影响发音的基础上，未尝不是一种新的修造方式。碳纤维在西洋管乐器中的应用，逐渐被人们所接受，这是新材料在新时代的成果。未来，碳纤维会依靠自身的优良特性，继续在乐器行列大放光彩。

四、结语

碳纤维，是近些年来，较为热门的乐器制作材料。多年以来，管乐器制造者们，不断创新，利用各式各样的新材料，多次进行实验与探究，将自己的思想，注入到各个管乐器当中。每一件管乐器的产生，都蕴涵着乐器制造者们的心血。在将来，新思维和新材料会继续为管乐器市场带来源源不断的生命力，给演奏者们提供更加新颖优质的乐器，为管乐爱好者们构建一个精彩纷呈的乐器世界。