从吹瓶子到交响乐，人类跨越千年“驯服”了声音这东西

试着对着一个空瓶口用力吹气，你会听到“呜~”的一声。

这个几乎人人都玩过的小把戏，其实隐藏着管乐器发声的核心秘密！

为什么吹气能发出声音？为什么不同的瓶子声音高低不同？无论是金光闪闪的小号，还是优雅的长笛，本质上都是更精密、更复杂的“瓶子”。它们是如何将我们吹出的气流，精准地转化为特定音高、丰富音色的音符？

我们从这声“呜~”开始，了解更多乐器的发声原理吧！

音乐的来源

音乐是由声音构成的，声音是一个非常宽泛的概念，泛指人能够听到的声波。声波由物体（声源）振动，通过介质传播，是一种机械波。

当声源震动时，介质（这里以空气为例）分子有节奏地振动，使周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波，这就产生了声波。

我们可以用以下几个参数来描述波的性质。频率：声波在一段时间内振动的次数称为它的频率，计量单位为Hz（赫兹），1Hz 就是声波在一秒内振动的次数。人耳可以感知到的声音，其频率范围为20 Hz至20000 Hz。波长：沿波传播方向，相邻两个相同相位的点的距离，和频率成反比关系。振幅：声波振幅的大小体现了声音的强弱。 此外还有波数、波形等等。

最基本的声波就是简谐振动对应的正弦波。传统乐器一般都依靠琴弦、簧片、鼓面的震动发声，发出的也是正弦波。

各种频率的正弦波

以某个固定频率进行简谐振动所产生的声波为纯音。但大家平时听到的绝大多数都是由纯音组合而成的复合音。

基波与谐波复合构成复合音

我们将一个标准的正弦波作为基准，称作基波。根据傅里叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。最小正周期等于原函数周期的部分为基波或一次谐波，最小正周期的若干倍等于原函数的周期的部分为高次谐波。例如，基波频率3倍的波称为三次谐波。也就是说，谐波就是比基波的频率高整数倍的波。

基波和高次谐波（泛音）

钢琴按下一个键，或小提琴拉响一根弦，都会在基波的基础上产生多个谐波，音乐人往往将谐波称为“泛音”，但这两个词在次数的定义上稍有不同，基波频率2倍的音频称之为一次泛音，基波频率3倍的音频称之为二次泛音，所以谐波要比泛音+1.

谐波（Harmonics）、泛音（Overtones）、频率和音调的对应关系

不同的乐器会产生不同的谐波模式，像长笛这类两端开口的乐器则能产生所有谐波，而单簧管这类单端封闭的乐器主要会产生奇次谐波。

两端开口乐器的谐波，和单端开口乐器的奇次谐波

我们听见乐器的泛音，决定的乐器的音色；或者是说，我们能分辨不同的乐器，也是因为不一样的泛音。

乐器声学系统

在不同乐器的发声过程中，虽然发声部位各不相同，但在声学结构上都具有相似的系统。

1.激励体

能够激发振动体振动的物体，比如小提琴的琴弓、长笛的吹口等。

2.振动体

产生振动的物体，通过振动产生声波，比如弦乐器的琴弦、管乐器的簧片等。

3.共鸣体

能够迅速扩散振动体振动能量的结构，通过共振来放大振动体产生的声波，如弦乐的琴箱、长笛的管身等。

4.调控装置

对乐器的发声性能加以控制的装置，调节音高、音色、音量等参数，通过改变上述三者的状态来实现调控，如吹奏乐器的按孔、钢琴的踏板等。

贝斯 架子鼓 电吉他

基于不同的发声方式，我们可以将乐器分成不同的种类。

我国古代，曾使用“依据乐器材料分类”的八音分类法，将乐器分成金（如锣）、石（如石琴）、土（如陶笛）、革（如鼓）、丝（如二胡）、木（如萧）、匏（如葫芦丝）、竹（如竹笛）。这种分类方式虽然直观，但随着时代发展，逐渐无法适应现代乐器的多样性和复杂性。

1914年，德国学者萨克斯和奥地利学者霍恩博斯特尔提出了一种乐器分类体系，我们将其称之为霍恩博斯特尔-萨克斯分类法（Hornbostel-Sachs，简称H-S分类法）。这个方法基于乐器的发声原理，将乐器分为以下几个大类：

1.体鸣乐器（Idiophones）

通过乐器本身的材料振动发声的乐器。如三角铁、木琴、沙锤、锣、木鱼等。

2.弦鸣乐器（Chordophones）

通过弦的振动发声的乐器。如钢琴、提琴、吉他、二胡、琵琶、古筝等。

3.气鸣乐器（Aerophones）

痛过空气柱的振动发声的乐器。如长笛、单簧管、双簧管、小号、箫、唢呐、人声等。

4.膜鸣乐器（Membranophones）

通过紧绷的膜振动发声的乐器。如军鼓、定音鼓、（退堂鼓）等。

5.电鸣乐器（Electrophones）

通过电声设备或电子元件发声的乐器。如电子琴、合成器、电吉他、电贝斯等。

采用这种分类方式，就大致可以将古今中外的乐器集合到声学的体系下了。

例如当代乐队中，电吉他、电贝斯、电子琴均属于电鸣乐器，架子鼓则包含膜鸣乐器和体鸣乐器

当我们将乐器分类后，就能发现每个乐器的具体发声方式都各有不同。有的种类非常好理解，如体鸣乐器，乐器自身的振动带动周围空气的振动，从而演奏音乐；但有的分类下明显仍具有更细致的区别。

接下来，我们将从个别气鸣乐器出发，了解他们的发声原理。

在气鸣乐器中一个非常大的分类，管乐，泛指以管作为共鸣体的乐器。其包括木管和铜管两种，这个分类最初也是根据木/金属材料制作进行的分类，但制作乐器的材料并非必然，也随着时代发展有诸多改变。

木管乐器

从上至下依次为巴松，单簧管，萨克斯，大管，双簧管，长笛

从具体的发音原理上，木管分成三种：

1.无簧，即不包含簧片，气流通过吹口边缘的切口产生振动，比如长笛。

2.单簧，包含一片簧片，气流吹过簧片与吹嘴组成的缝隙，簧片带动管内的空气产生振动发声，如单簧管，萨克斯。

3.双簧，由两片簧片相贴组成一个哨片，气流通过两片簧片之间的缝隙，使簧片带动管内的空气产生振动发声。如双簧管、巴松。

对于长笛而言，来自演奏者嘴唇的气流穿过吹孔的开口，撞击在孔另一侧的锋利边缘上，一部分进入管中，引起管中气柱受到扰动。管中气柱的运动会反过来影响进入管中的气流产生摆动，这样相互作用下，进入管中的气流速度大小、方向、压强等参数会趋近于周期性变化，最终会达到一种叫做“谐振”的状态。

而簧片通常以管内空气的固有频率振动。当压力下降时，簧片往往会闭合，使进入的空气更少；当压力上升时，簧片会打开，让更多的空气进入。此时，演奏者呼出的气流决定了簧片的开合，维持乐器中空气的振动。

上图展示了单簧管的吹口处气压和气流的曲线，蓝色代表较小的唇部或咬合力，红色代表较大的。演奏者口腔的给出的气压若是太小，会产生噪音；太重则会导致簧片关闭。

长笛和单簧管

如果我们用模型去近似描述木管，可以将长笛、单簧管和双簧管描述成两端开放的圆柱、一端开放的圆柱和一端开放的圆锥。

在乐器进行发声的时候，声波沿着管道传播，到达另一端时反射回来，回到开端再次反射，重新开始。来回的行程构成了振动的一个周期。管子越长，往返所需的时间就越长，因此频率就越低，乐器发出的音就越低。对于长笛而言一个周期即可发出最低音，单簧管则需要两次往返。在木管乐器中，有效长度是通过沿侧面开闭指孔来改变的。

以长笛为例，当音孔全部关闭的时候，调整不同的吹气速度，还可以吹出更高的音。这是为什么呢？主要是因为，符合管口两端声压为零的驻波还有更多，见下图：

图中显示了三种最简单的空气柱：开放式圆柱体、封闭式圆柱体和圆锥体中的波形。红线代表声压，蓝线代表空气振动，开放的位置声压为大气压。最长波长是开放式圆柱体（如长笛）长度的两倍，是锥体（如双簧管）长度的两倍，但却是封闭式圆柱体（如单簧管）长度的四倍。因此，长笛或双簧管演奏家使用整个乐器的长度来演奏C4，而单簧管演奏家只需使用乐器的一半就能演奏近似 C4的音色。

铜管乐器

铜管乐器——就是各种“号”

吹响吧！上低音号

铜管乐器利用气流振动嘴唇发音，借由吹嘴协助，导入乐器共鸣发声，也叫唇振气鸣乐器。铜管乐器改变音高有两种方式：一、压放按键或推拉滑管，来改变管身的长度，二、吹奏者改变嘴唇振动的发声频率。

铜管乐器一般是由吹口、管身、活塞和喇叭口这几部分组成。所有的铜管乐器都可以看作是一根管子，管子的一端是一个吹口，另一端向空气开放，这样当演奏者的嘴唇靠在管子上时，就可以使管子的一端接近密封。

为了使乐器发出声响，演奏者需要用气流振动嘴唇向管内发出一个声波脉冲，该脉冲到达后喇叭口反射，再次抵达嘴唇，形成一个循环。单位时间内循环次数越多，频率就越高。唇振动将肺部的直流气压转换成振荡气压和气流，当口腔中的气压高于外部气压时，嘴唇张开让空气涌出；当口腔中的空气涌出时会降低口腔内的压力，此时嘴唇的质量和张力会将嘴唇再次拉近，直至闭合，在伯努利效应的作用下如此循环往复，就产生了持续的声音。

唇振动循环往复示意图

与吹嘴相连的就是铜管乐器的管身，当管身为一个圆柱形管时，在远离吹嘴的一端，管道是向空气开放的，所以在这一端的压力接近于大气压，称它为声压节点。在吹嘴一端，管内的空气柱是由演奏者的嘴唇来控制的，所以在这一端会形成一个压力波腹。

以一端压力波腹、另一端为压力波节的正弦波可得到如下图所示的正弦波集合示意图。这些波的频率比是 1:3:5:7 等，这些波构成了奇数部分的谐音序列，由于偶数谐波在吹嘴的部分形成的是声压节点，所以在封闭的圆柱形管身内是不能形成偶数谐波的。

而铜管乐器的按键，其实是一个活塞式阀门，起到“快速改变空气柱长度”的作用。活塞阀处于打开和按下位置的如下图所示，当被活塞压下时，空气柱就会被延长。

活塞打开（左）和按下（右）的空气柱长度

对于小号这一经典的铜管乐器，其主要发音原理是：把嘴唇贴近号嘴，振动嘴唇并带动管身内的空气振动发声。嘴唇的振动频率和管体中驻波共振的频率之间存在“耦合”。也就是说，当嘴唇振动会使得管内空气柱随之振动，同时根据空气柱的固有频率从而锁定嘴唇采用相同的频率，形成一致性的振动。演奏者可以通过嘴唇“放松”或“紧张”状态控制一个音符进行微调，即迫使空气柱略微改变其振动频率，从而改变音高。

从最初对着空腔吹气发出简单的“呜”声，到如今构造精密、音色丰富的现代乐器，人类对“空气振动发声”这一物理现象的探索与驾驭，走过了一条充满智慧的道路。

管乐器，本质上是一系列精心设计的“空气陷阱”。我们用簧片、号嘴、吹孔去“驯服”气流，用按键、音孔、管身的长度和形状去“塑造”空气柱的振动模式，最终让无形的气息化作可感可闻、千变万化的美妙旋律。

这不仅是物理原理的应用，更是人类创造力与自然规律之间一场持续了千百年的对话与合作。每一次成功的吹奏，都是我们在物理法则的框架内，奏响的高天之歌。

参考资料

[1] 勾宸.中国唇管乐器的调查与声学分析[D].中国音乐学院,2020.DOI:10.27654/d.cnki.gzgyc.2020.000033.

[2] https://zhuanlan.zhihu.com/p/3902860128

[3] https://www.phys.unsw.edu.au/music/flute/

[4] https://sengpielaudio.com/calculator-harmonics.htm

[5] https://zhuanlan.zhihu.com/p/395134247

[6] Fletcher, N. H.; Fletcher, Neville H.; Fletcher, Nh,The Physics of Musical Instruments,1995

[7] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%8A%85%E7%AE%A1%E6%A8%82%E5%99%A8

编辑：花卷

本文转载自《中科院物理所》微信公众号

《物理》50年精选文章