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同样是初学者,为什么拉小提琴像锯木头,弹古筝却很正常?

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最近,邻居家小孩报了个小提琴班,在家练习的时候,经常会传来一阵阵的锯木头声,有时甚至像尖叫鸡的声音。

我家小孩今年也刚开始学古筝,虽然有时候跟不上旋律,但似乎声音本身并不难听。

为什么同样是初学者,会有这么明显的区别呢?难道是我对自家娃有滤镜吗?

是噪音还是动人的声音?关键看泛音

大家应该都知道,声音来自于物体的振动。比如下图中的音叉,只有让它振动才能发出声音。音叉的振动会带动附近空气的振动,从而在空气中扩散开来,当扩散到人耳时就被听到了。这就像在平静的水面扔了一颗石头,然后水的波纹往外扩散开来一样。

音叉的振动

图源:摄图网

所以,声音可以用波来表示,声波振动幅度的大小和振动的快慢决定了不同的声音。振幅 (A0) 越大,代表着声音响度越高,也就是声音越大。周期 (T) 越短,表示振动越快,频率越高,所以音调就越高,声音就越尖。

声波

图源:作者供图

理想的声波,用音调和响度就可以完全表征。然而,现实中的声音要复杂得多,可以看成是无数个简单声波叠加而成的。在这些叠加的声音里,有一类特殊的声音,它们能让人赏心悦目,这就是乐音

复杂声波由简单声波叠加而成

图源:博客

乐音同样有音调和响度,但它还有第三个特征:音色,主要由泛音决定。乐音并非只有一种频率,它同样是多种频率的叠加。与普通声音不同,乐音叠加的频率有一定的规律:是基频(波动或振动的最低频率)的整数倍[1] ,也就是满足毕达哥拉斯规律[2]。而除基频外,叠加频率的声音都是泛音。

泛音

图源: sohu

我们可以轻易分辨出不同人讲话,分辨出 不同乐器的发音,靠的就是泛音的不同。 同一个旋律,不同 乐器组合发声,不同的泛音会让这段旋律更加丰富。

为什么初学者可以让古筝发出美妙声音?

对于一根给定的琴弦,存在着无数种不同的振动形式,每一种都对应了一个固有频率[3]。最低的那个频率对应的就是基频,其余都是泛音。

这里的固有频率都是自由振动下的频率,即外力拨动琴弦之后迅速消失,琴弦在这个外力的作用下产生振动,这种固有频率下的振动发音就是拨弦

当琴弦的材质(密度)、尺寸(弦长与粗细)、张力确定后,这根琴弦的基频也就确定了。因此,不管你会不会弹古筝,拨动琴弦后,琴弦的发音都是一样的,听起来都很美妙。

古筝弹久后,需要重新调音,使琴弦变得紧绷,也就是改变了琴弦的张力,从而改变固有频率

图源: 作者供图

值得一提的是,不同乐器的琴弦,弹奏同一首旋律,其基频必定是相同的。尽管不同乐器的琴弦有长有短、有粗有细、有尼龙有金属丝,但是通过基频公式,总可以设计出同一个基频。唯一的区别就在于之前说的音色,不同的泛音叠加后听起来就不一样了 (有的叠加得多,有的叠加得少) 。

为什么初学者拉小提琴会跟锯木头一样?

拉弦作用下的琴弦振动与拨弦作用下的琴弦振动完全不同。拉弦作用下的琴弦振动是在拉弓的持续作用下产生的受迫振动(外力持续作用下的振动)

更加严格地说,拉弦下的琴弦振动是一种自激振动。 琴弦从拉弓处获得能量,在接触位置产生交变力,从而产生振动,这种振动根源来自琴弦自身,所以是自激振动。 大家洗碗的时候也能感受到这种振动——洁净湿润的指腹摩擦过碗沿,能够感受到指腹传来的振动,这有点类似于古代的黑魔法——鱼洗盆。

鱼洗盆的自激振动

图源: sohu

外力作用于琴弦方式的不同,也会引起了琴弦振动形态的不同。拨弦的自由振动,琴弦呈现出标准正弦波的形态。

拨弦的自由振动是正弦波

图源: SOOGIF

而拉弓锯弦引起的琴弦振动却呈现出不规则的形态,并且能够明显看出波的传递——从拉弓位置向远端传递。

拉弦的自激振动是V波

图源: 大美科学

这种特殊的波形,最早是亥姆霍兹发现的[4]。拉弓过程中,琴弦接触点被弓打动产生位移,这种位移随时间呈现锯齿状,于是振动产生了。整根琴弦,在这个起始位移振动的带领下,振动起来,并且向远端扩散出去。

亥姆霍兹运动

图源:参考文献[4]

为何会形成上图这种特殊的V形波呢?其实,也很容易理解。拉弓锯弦的时候,琴弦由于弓的作用在持续高频振动。波是会扩散的,在接触位置初始就是一个V (被弓拉出来的形状) ,所以这个波往外扩散时,仍然基本保持着初始姿势。但随着扩散的进行,在远端时,V形的尖角其实已经不那么尖了。

V波的传递

图源: 中科院物理所

初始时刻,弓向上运动 (如下图) ,在摩擦力的作用下带动琴弦运动。刚开始时,琴弦位移较小,产生的回弹力也小,不足以抵抗摩擦力,此时两者之间是静摩擦。随着位移的增大,回弹力变大,把琴弦往回拉动,此时两者产生滑动,是滑动摩擦。静摩擦与动摩擦的摩擦系数是不同的,拉弓锯弦的过程是动静摩擦不断相互变化的过程,这是个典型的摩擦力突变的非线性过程。

动静摩擦相互转化

图源:作者供图

同一根弦,对于拉弦来说,优美的声音与弓的速度、弓的下压力,以及拉弓的位置密切相关。研究表明[4]:弓速增加,声音会变大;弓压增加,声音也会变大;距离琴码增加,声音略微减小。一个熟练的小提琴家,完全掌握这3个参数的运用及变化,才能创造美妙的音乐。

但是,对于初学者来说,很难根据旋律的变化控制这3个参数的变化。单从音量 来说,很可能因为太着急、太用力,就比较大了。另外,琴弦的基频与张力密切相关,用力过猛增加了琴弦的张力,提 升了基频, 再叠加上其它频率的不规则 泛音,简直 就会像尖叫鸡一样。

所以,想要学好小提琴,除了长时间练习,抽空还得学学力学,知道其中的原理,可以更加熟练地拉弓锯弦。

参考文献

[1] Young, Freedman, University Physics with Modern Physics, 14th edition, Pearson, 2016.

[2] 刘延柱, 漫画音乐中的力学, 力学与实践, 2011, 33(3): 91-94.

[3] 王一鸣等, 琴弦在点驱动力作用下受迫振动的研究, 大学物理, 2022, 41(5): 9-12, 62.

[4] 张承忠等, 小提琴弓弦系统的振动形态及振动机理研究, 振动工程学报, 2025, 28(3): 359-365.

作者 :王永健,南京农业大学副教授,江苏省力学学会科普工作委员会副秘书长,江苏省首席科技传播专家

来源:上海科技馆

编辑:紫竹小筑

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