聆听“音乐”—乐器发声之谜

任锦烨

演奏一首优美的乐曲往往需要许多乐器的配合，可能有中国传统乐器如琵琶、笛、箫、古筝，也可能有西方的钢琴、小提琴。来自不同国家与地区的乐器为什么可以和谐地演奏出一首首优美的乐曲呢？

现代分类法把乐器归纳为五大类：体鸣乐器、膜鸣乐器、气鸣乐器、弦鸣乐器和电鸣乐器。让我们来看看，这些不同的乐器是怎样殊途同归，共同演奏出动人心魄的曲子的吧！

动听的驻波

从物理学上讲，乐音是空气周期性运动在人耳中所激发的全部感觉。乐音发出的声音能量主要受限于有限的区域，这种声波状态被称为“驻波”。

什么是驻波呢？可以想象为把两块石头丢入平静的水面，它们形成的波纹逐渐靠近，并融合为一种稳定的状态，这就是驻波。驻波是频率相同、传输方向相反的两种波，沿传输线形成的一种分布状态，其中一个波一般是另一个波的反射波，在二者相加的点出现波腹，在二者相减的点形成波节。波形上，波节与波腹位置始终不变，看起来“驻立不动”，也正如其名字一般。

以利用弦的振动来发出声音的弦鸣乐器为例，声音主要由弦的粗细和松紧程度来决定。例如钢琴，当你按下琴键，琴锤随之击弦，琴弦在碰撞点发生变形，先向一侧移动，达到该侧刚性边界后被反射，反射波又向另一侧移动，弦线随之恢复到平衡状态，并继续下一次振动。这一过程十分迅速，以琴键A4（钢琴第4组键盘的la音）为例，该脉冲每秒会完成440次的往返运动。这一振动能量从琴弦高效地传输到音板（能把来自琴弦的振动能量最大程度地转化为声音能量）中，使我们听到熟悉而美妙的钢琴声。

不同的乐器，不同的原理“吹”出来的音乐

气鸣乐器是利用空气柱振动来发声的。例如当吹奏管乐器时，抬起不同的手指会形成不同长度的空气柱，空气柱越长，音调越低；空气柱越短，音调越高。

钢琴的琴弦

我们熟悉的小号、圆号就是典型的气鸣乐器，当演奏者将空气吹入管中，管内的空气柱与之碰撞，形成入射波，入射波到达管内封闭端无法继续前行，于是被反射回来，形成反射波。此时，在一定频率下，入射波与反射波结合在一起，形成了驻波。管内并不是只有一组驻波，这些不同频率的分音组合在一起，形成了独特的音色。

“击打”出来的音乐

体鸣乐器和膜鸣乐器主要依靠的是打击振动发出声响。恢弘霸气的编钟就是典型的体鸣乐器，而摇滚乐队中帅气自由的架子鼓则是由体鸣乐器与膜鸣乐器共同构成的。如果你想最为简单直观地感受驻波，试试去摸一下被敲击后的鼓吧，正是鼓面的振动，给你的耳朵带来了如此有节奏感的音乐。

电鸣乐器——电学与磁学的结合

电鸣乐器的基本工作原理是，先用某种换能装置把传统乐器的声振动转换为与之相应的电能，再送入电子放大器放大，并做適当的音色滤波处理，最后用扩大并修饰了的音响放出。常见的电子琴、电吉他都属于这一类。

电鸣乐器的历史与音乐的历史相比十分短暂，正是人们对驻波等知识的认识，复杂的声音才能够被“拆解”成为相对简单的元素，我们才能利用电学与磁学将电鸣乐器创造出来。

古希腊哲学家毕达哥拉斯说过：“数学通过声音的一致性来影响我们的耳朵。”不同材质、不同国家、不同年代的乐器，在驻波理论下得到了统一，感性的音乐也离不开理性的思想。

（责任编辑 / 张丽静  美术编辑 / 周游）