科学技术与欧洲长笛管体结构的制作工艺研究

文/李 响

一、科学技术发展对长笛制作工艺的影响

长笛乐器管体的改革一直属于在传统中相互的交融，在独特中不断的发生变化逐渐向前发展的过程。回顾泰奥巴尔德·波姆（Theobald Boehm）对长笛的制作改革，直到1846年他才通过运用声学的物理方法对乐器管体的设计及发音原理进行细致探索和研究。目的为寻求更加科学的发声方式、便捷的演奏性能、出彩的乐器音色而不断的努力实验与革新，改变了以往简单系统的长笛结构模式及制作理念，为后期长笛管体结构的最终定型、稳定的发展做出了贡献。

启蒙运动期间，欧洲的乐器制造家以科学的理论与实验，首次尝试制定“管子声学”规律，并对长笛声音方面进行研究。用天文学、物理学、数学等计算方法，从实际实验中推论自然定律，求得乐器精准的发音数值，从中用数据校准音高并以理论的形式阐述这一观点的可行性。例如：约翰·海因里希·兰伯特（Johann Heinrich Lambert）1777年撰写了有关该时期乐器声学的文章，他对当时科学的前沿思想与长笛声音的探索方面都有深入的了解。兰伯特的声学论文以天文学和物理学的自然科学研究为前提，利用细微的观察和数学工具，从实际实验中推导出自然规律，用分钟观察在实际实验中精确测量并计算出自己所制造的长笛标准音高为：a=415.25cps①，推翻了之前一位乐器声学研究学者伯努利（Bernoullis）计算出的长笛标准音高为：a=392cps的实验报告。同时，他还用数学的科学计算法算出长笛吹奏口的精准位置，给出了演奏者嘴唇放置吹奏口的精确细节（应该覆盖一半的吹口孔）和正确的口型，并计算一个数学的常数得出吹奏孔末端校正的数值，便于确立吹奏孔与软木塞之间的距离位置，从中可以通过数据的方式得到客观评判的依据，进一步以科学的方式得出音程关系对声音准确性的影响。除此之外，他的另一个主要论证观点是长笛音孔大小和孔径关系，以及音孔内底切的效果都会直接影响乐器所发出实际音高的准确性。

乐器声学的学者、制造家通过运用科学的计算法则，并以理论与实践的观点进一步证实科学技术对乐器制造所起到的重要作用，这样以数据的方式呈现结论更能说明科学法则计算出结果的真实性、严谨性。为之后长笛管体结构的改良与发音原理的测定提供了科学依据。

二、长笛音孔制作的工艺方法

（一）机械设备的改进促使乐器产量提升

18～19世纪在艺术、手工艺等制作的诸多方面上，依靠科学的手段进行乐器结构的研究在方法上还是较为简陋，也存在一定的局限性。例如：在长笛的结构设计、声音特点及使用性能等方面会受到地域民族差异、演奏者的个人要求以及声音品质、音乐作品风格等制约。同时乐器制作的工艺方法上也会依照制造者的想法进行生产，由于受到各方面综合要素的考虑会对乐器设计、制作产生重要的影响，之后会呈现出不同国家和地区的制作理念，并形成了不同的乐器结构外观。另外，想要进一步了解当时乐器制作的标准及设计理念也是非常困难的事，因为乐器制造商认为把自己的设计理念、乐器特征及乐器标准进行描写是件荒谬的事，更没有想过以专利的形式得以保护，他们认为只有对乐器的制作工艺流程做到完全保密的状态才是最好的保护方法。所以，想要了解这一时期乐器制作的大致过程，可以通过乐器制造商的工厂内部建设、制作乐器的工具、实践的环境以及工匠的技艺介绍等方面加以了解，并能大致初步认知乐器生产的方法和工艺。

18世纪木管乐器的管体制作基本依靠半手工式的车床进行加工制造的，这种较为简单的机械设备早在13世纪中叶就已出现。主要靠脚踏板驱动的形式使机器加以运转使用，该机器的核心是一种可以旋转制作工件的联动装置。它的使用原理：将一根绳子缠绕在制作管体的工件上与脚踏板连接，另一端连接在有韧性的杆子上，以手持的方式把削切凿子刀放在圆柱形管体的定位支架上，脚踩踏板使机器以一个方向进行有限的运转，然后在通过相反的方向再次缠绕绳索，最终达到管体音孔成型的制作，这种乐器制作的方法和过程非常简陋、繁琐。到了18世纪后期19世纪初，车床设备有了改进，主要体现在机械配件的增加，这些配件主要有：齿轮驱动器、可调节齿轮转速的皮带以及锥形齿轮的手支架等。这些机械零配件的进一步增加可以使机器不再是单一的运转方式，出现了相同方向的恒定旋转，以及双向旋转等形式。除此之外，锥形齿轮的手支架可以与工具轴承成直角旋转，方便了钻头削切，使音孔的制作方法有了更进一步的发展。运用科学方式增强机械设备的装置提高运转速度，大大提升了乐器制作产量。

图1 右为18世纪木管乐制作所使用的机械设备（半手工式车床及制作长笛管体的模具工件）左为音孔削切所使用的工具

（二）长笛音孔成形的制作工具与方法

18世纪中后期，在木管乐器音孔制作方面出现了不同尺寸的削切工具及后期音孔修整工具，这些工具主要有铰刀、锉刀和刮刀，上述工具的产生可以根据声音品质要求及不同直径的音孔所需修正方式加以选择使用。在长笛音孔制作时，铰刀主要用于完成后期的内音孔削切，制作过程首先在管体上标注所钻音孔的中心位置，然后利用车床钻一个导向孔，这样有利于工匠使用铰刀准确无误的削切音孔，使音孔的形状最终达到相同直径一体化的制作。不同尺寸的铰刀出现可以较为精准地制作不同直径的音孔，最大限度减少了音孔制作过程中的变化及不均的现象，同时提升了乐器制作尺寸的标准化和所需的时间。

后期精加工长笛音孔时，由于音孔是由工匠用铰刀削切完成整个制作过程，削切会带来音孔内壁及底部表面不够平整、平滑或留下多余的木屑等现象，每个音孔内部木屑的量及内壁光滑的程度，是直接影响乐器所发出音高准确性及声音音量响度的关键性因素之一。所以乐器制造者会利用锉刀、刮刀和一些金属的刀具进行反复多次修整音孔，同时对凹音孔及底部进行后期修复处理，最终要做到音孔的形状符合声学的要求、内壁修整后要做到表面不留痕迹，绝对的平展光滑，这对长笛音孔整体的后期加工起到非常重要的作用。除此之外，音孔底部削切的范围和形状也是非常重要的环节，虽然从长笛外部看不到音孔内在的状态，但是它的细微变化会影响声音的品质，主要影响的方面有：音高的准确性、音色的丰满度、明亮度及声音的共鸣与穿透力等。在当时工匠要利用不同形状和尺寸的小型刀具精雕细琢，从音孔上端穿过内膛逐步切掉其底部多余的部分，最终完成音孔底部的削切工序，工匠娴熟的制作技艺能赋予乐器完美的演奏声响。

18～19世纪，由于不同的乐器制造商在乐器制作方法的要求上存在差异，音孔后期的修整、底部削切的方法除上述外，也有使用粗糙的草皮进行加工处理。

图2 木管乐器音孔制作及修整、扩孔工具（1781年）

三、科学技术推动长笛制作工艺的向前发展

（一）弹簧的出现促进长笛音键性能的发展

18～19世纪随着工业革命的来临，人类生产与制造方式逐渐转为机械化，出现以机器取代人力、畜力的趋势，以大规模的工厂生产取代手工生产的革命，引发自现代的科学革命。罗伯特·胡克（Robert Hooke），英国的科学家、博物学家、发明家，在物理学研究方面，他提出了材料弹性的基本定律-胡克定律②。1656年，他研制发明的锚形擒纵机和摆动轮装置，并利用矩形截面螺旋弹簧连接钟表的部件摆杆与锚正后方的坚固支架，锚的枢轴与弹簧的弯曲点对齐，这一装置的产生可以按周期控制发条的宽紧，至今是钟表制作中的关键部件。弹簧的产生成为了工业产品制造中必不可少的部件之一，因为好的弹簧性能可以提高物件的使用寿命，所以在当时欧洲制作生产弹簧是一件既有难度又是高精密专业的工种，同时弹簧在乐器音键的使用性能中也发挥着重要的作用，是不可或缺的部件之一。

这一时期长笛音键的弹簧通常是用黄铜制作而成，最初它的安装方式是直接固定在木制或象牙制作的管体按键凹槽中，同时必须降低键槽底面才能有足够的空间使弹簧自由的运动，这种运动方式通过弹簧翘起的自由端与音键相接触来达到音键开闭的运动过程。虽然弹簧的出现提高了乐器的使用性能，但是乐器管体的材料受气候温度、湿度影响出现热胀冷缩的现象，这样会导致固定弹簧的小块铜板出现松动，影响弹簧整体的稳定性。除此之外，由于降低按放音键凹槽的面来完成弹簧的运动方式，键槽侧面会受到弹簧压力的影响从而导致管体开裂。为了寻求弹簧更安全、更稳定、更持久的运用在乐器管体上，制造商改变了以往的固定方式把弹簧的位置移到了键柄下方，利用铜制的铆钉、钟表上的小型螺丝来作为辅助固定部件，重新安装在管体上。这种方法可以减少弹簧的弯曲、机械移位、弹力不足等现象，同时还可以延长弹簧的使用寿命。

18世纪后期，制作弹簧的材料也有了新的发展，出现了钢制弹簧。这种材料的弹簧比铜制弹簧弹性更大，有利于音键灵活运动，缺点就是易生锈，要经常做清洁保养处理。德国莱比锡的长笛演奏家兼乐器制作J·G特罗姆利茨（J·G Tromlitz）是钢弹簧的拥护者。

图3 18世纪长笛的音键弹簧

（二）冶金学的发展提高长笛部件制作工艺

1500～1750年间，欧洲一些矿产开采量除了煤炭和铁矿以外，其它均属于稳定增长的状态，冶金学在这一时期也有了新的试验和发展，它将艺术与科学相结合的方式运用在乐器制造行业。巴洛克时期，单键长笛的出现意味着金属材料进入了乐器制作的行列中，早期长笛的音键是用银制作而成，这是一种来自于德国东部萨克森州、波西米亚及新大陆的金属，工匠通过用平板手工冶炼锻造的方式制作出音键，然后再利用轴销把音键安装在管体上，使音键形成回旋式运动的状态。后来随着商业化的开发，黄铜普遍作为乐器管体和部件的制作材料，直到1800年才彻底广泛用于欧洲各国不同结构的长笛音键制作中，它的运用大大减少了乐器音键制作的工作量。

17世纪长笛音孔的密封垫材料和固定方法也有所改变，前期主要是用皮革做成与音键、音孔相吻合的密封垫，并利用蜡把密封垫固定在音键上，通过运用键柄下方的弹簧使音键保持运动达到密合音孔的效果。但是在长期使用的过程中由于皮革会受到油污和湿度的影响，垫片形状会发生变化从而导致乐器产生漏气现象。18～19世纪在英格兰出现了用金属相融合的合金材料来制作密封长笛音孔的部件-塞子，并在音孔金属衬套圈的作用下达到密封音孔的效果。这种音孔密合方式在当时的英国较为盛行，它主要是利用锌、铅、锡合金材料做成一个与音孔尺寸相吻合的金属塞子，然后用铆钉把它固定在音键上，音孔的边缘用金属圈加固，这种塞子的产生可以克服皮革垫在接触油或水分后，形状改变导致漏气的问题。在当时虽然能解决一些弊病，但是在实际运用过程中还是会对乐器的使用性能产生一些问题，所以用金属塞子密封音孔的方法没有被广泛采纳，直到后来逐渐被废除了。

虽然该方法没有得到普遍的运用，但是它成为了长笛音孔密封方法改良过程中的时代产物。此项目改革者是伦敦乐器制造商理查德·波特（Richard Potter），并在1785年申请了专利。

（三）长笛管体的设计变化

18世纪初长笛备受众多的业余爱好者、演奏家、音乐家的关注和喜爱，它从出现一直属于表现力极为丰富的乐器之一。随着音乐作品内在的多样性，音乐创作和演奏技法的变化对乐器所需的表现力类型提出更多、更高的要求，这对提高乐器制造商乐器结构改良的整体合理性、完善长笛的表现力发出了有力的改革信号。在当时主要体现在长笛演奏技法的运用上还是存在着一些弊病（例如：在吹奏时，气息、口型、舌头的位置、指法的替换都要在固定的模式下才能够得以控制，不能自由地发挥演奏）。乐器制造家针对这些问题反复多次的试验、尝试新的制作改良方法，目的就要使长笛在演奏时更加的便捷，在调音方面可以根据乐曲的实际需要，较为容易地操控调整，在音乐的表现力上更能贴切演奏家内心的表达。

巴洛克式长笛，锥形音孔是区别于其他时代长笛管体特征的条件之一。在18世纪的前60年中，几乎所有的乐器制造商都在结合长笛的诸多方面对音孔进行试验，主要的试验点：管体的整体尺寸、吹奏孔和音孔的直径、音孔内部底切的大小和间距、制作管体所使用的材料、管壁的厚度以及对声音方面的影响都做了大量的研究。最终发现音孔锥度收缩的规则程度、位置、内部底切的形态及管的长度，都是决定了乐器整体的基本视觉和声学重要比例的决定性因素。虽然有了大量的实验供乐器制造家去研究新的改良制作方法，但是即使在同一时期的同一座城市，长笛管体很多方面的重要设计、制作的要求都没有得到一个统一的标准，也说明了这与乐器制造家在自己职业生涯中的各个不同阶段的制作理念有着直接的联系。显然他们的想法不尽相同，这就带来了18～19世纪的欧洲长笛即使音键数量的增加，也存在听觉和功能上的多样化。

古典主义时期欧洲长笛的制作开始使用批量生产的技术，在管体的结构方面出现了新的改进，三段一音键式巴洛克早期的长笛样式成为了长笛管体结构后期改革及进一步向前推进的标准。它的出现早期流行于法国，管体的结构设计、外观的修饰都与法国巴洛克时期的典雅、精致的风格息息相关。除此之外，在演奏方面也有别于文艺复兴时期的长笛，主要体现在八度音阶演奏时声音较为柔和而具有精美的表现力，音色甜美而富有穿透力。雅克·马丁·霍特泰尔（Jacques Martin Hotteterre）风格的笛子被誉为这一时期的典范。

三段式长笛的结构主要分为：吹奏部、管体中心部、尾部管。它们是通过榫卯的组合方式进行管体组装，并在中心部两端的榫头上用线和蜡做包裹，目的就是为了管体组合后两端接缝处有更好的密封性，六个指孔主要位于管体的中心部。该乐器组装的一般要求是：组装后吹奏孔与指孔呈一条水平面上，尾部音键要向内侧偏移，目的为了右手小指更加便捷的操作运指。虽然巴洛克式的长笛在当时管体有较多的尺寸，但是最常见的一种是D调长笛，它的音域范围可以演奏到最低音的♯D音为止，（实际演奏法是六个指孔全部按塞指孔后为低音D音，在此指法的基础上打开尾部的一音键就可以发出♯D音，该音键还可以通过交叉指法获得其他的音高）。三段式长笛的出现改写了以往长笛的结构形式，虽然这种结构的变化对长笛的音量、音色、音域拓展等方面都起到了一定的推动作用，但是在整体音调的变化方面还存在一定的局限性。在当时三段一键式长笛大都属于D调乐器，它的出现是长笛管体结构发展的一次新的转折和变革，对长笛结构的整个发展历程起到了向前推进的重要作用。

图4 1982年由罗德瑞克·卡梅伦（Roderick Cameron）仿制巴洛克时期法国巴黎邮票上印制的Hotteterre长笛。乐器产生时间大约为1700年，管体由黄杨木和象牙制作而成，并带有一个银制的音键。A=392Hz

结语

科学技术的发展推动了艺术、工艺和科学的相互交融，使众多的乐器制造家以科学理论为依据，并在实际的运用中加以实现对长笛的管体结构、指键的发展做深入的探讨和试验。无论从管体整体的尺寸、吹奏孔和音孔的直径、音孔内部底切的大小与间距，以及音键整体结构的设计等方面都做了大量的研究，并在实际的制作中加以总结、完善和革新。目的为了使长笛的管体结构更趋于合理化，使用更加的便捷，在实际运用中突出乐器独有的性格特点，同时在声音方面能够获得轻松、明亮而不失柔和的统一效果。

图片来源：

由于国内对长笛管体结构方面的研究资料较少，文中图片1-5分别来源于国外网站pinterest.co.uk（图1-2）；ajuntament.barcelona.cat（图3-4）。

注释：

①Cps: Counts per second(每秒的计数)，这个单位作为质谱的强度。

②胡克定律：弹簧的伸长量与所受的力的大小成正比，也是力学弹性理论中的基本定律之一。