乐器与声现象物理小论文

乐器与声现象物理小论文

骨笛遐想
——浅析小提琴发声、调音的物理原理
一．选题意义
据我国最早的物理史学家吴南薰先生考证，世界上第一个人工制作的物理仪器就是在兽骨或竹管上挖孔并能吹出声音来的笛子。这既是一种乐器，也是一种声学仪器；我国古代对共鸣、弦的振动、管的音调的研究等都是通过乐器来进行的；希腊哲学家毕达哥拉斯发现了琴弦的长短与音高有一定的关系；从近代物理学发展来看，声学依旧占据着相当重要的部分，且与我们的生活息息相关；……
许多同学都会演奏一些乐器，但对于弦乐器的调试却无从下手。我们结合已经学过的振动学知识，浅析西洋擦弦乐器——小提琴的发声原理，并为演奏者检音、调试提供理论依据和实验结果参考。

二．相关物理知识
实际的乐音由基频、谐波（泛音）、分音三部分组成。每一个乐音即周期性的振动都可以分解为许多不同频率、不同相位、不同振幅的简谐振动的叠加。简单的简谐振动即正弦振动或余弦振动的传播产生的声波叫做纯音，实际的乐音如歌唱声、乐器声等都不是简单的纯音，而是许多的纯音的叠加。在这些简谐振动中，频率最低的叫做基频，基频的能量往往是最大的。频率是基频整数倍的叫做谐波，其余的高频振动叫做分音。现代的分析中表明，还有低于基频的次声。因此，从物理上讲，音乐声应由三部分组成：乐音、在音乐中使用的噪声（如锣、鼓、沙锤、梆子等没有固定音调的打击乐器和海涛、流水、风声等效果声音）以及对音色有影响的在谐波中存在的一部分超声。
一般来说，发生体振动的频率越高，人们听起来音调也越高；发生体的振动频率越低，人们听起来音调就越低。但音调与频率之间并不是严格按比例对应的。一般认为，频率每增高一倍，音调听起来就高一个八度，这仅仅限于中频段。在高音部分，听感偏低，即频率增加一倍，听起来不到高八度，而是偏低，于是要把频率调高些，以适应人的听觉。低音段则听感偏高，于是需要把频率调低些。
乐音听起来有一定的强弱，即音的响度，这是乐音的第二个主观量。声音的能量越大，声强越大，听起来响度就越大。但是，这二者也不是按比例一一对应的。
至于音色，更是一种主观感觉了。从传统来讲，决定音色的主要因素是频谱，所以常常根据频谱模仿各种音色。但据资料显示，实践表明：音的起始与结尾的瞬间状况，即“音头”和“音尾”，也同音色大有关系。音色不仅与频谱的组成（即基频、谐波和分音的数目、长短、相对强度、分音的不谐和程度及瞬态）有关，还与基频和谐波在听音区的位置有关，这是由于人耳对于多种频率的响度反映不同。音色也与听者距声源的距离有关，这是因为一个音中的各种成分的衰减不同。

三．相关音乐知识
音程，就是两个音音高之间的距离。在音乐上，音程用“度”表示。几度就是把起始音算在内，沿着音阶数有几个音名。钢琴上相邻两个键（包括黑键）之间差半音，两个半音等于一个全音。这也是一种表示音程的方法。音程与频率基本上是一一对应的关系。
把两个相差八度音程之间的音顺次排列，就成为音阶。规定音阶中各个音的由来及其精确音高的数学方法叫做律制。
最常用的三种律制是十二平均律、五度相生律和纯律。音阶中的各个音都有音名，由于生律的方法不同，不同律制生成音律中的同名音（例如都是 ）其频率是不一样的。
十二平均律是我国明代科学家朱载堉最先发明的，比西欧早了几十年。他将一个八度音程（频率比为2）按等比数列均分为十二份，得十二律。当前的钢琴和所有键盘乐器以及带“品”的弦乐器等，用的都是这种律制。
数学表示：相邻两音之间的频率比均为： 即从任何一个音开始，比该音高半音的音，其频率是该音的频率乘 ；比该音低半音的音，其频率是该音的频率乘 ；以此类推，可得出所有音的频率。
十二平均律有许多优点，比如它易于转调，简化了不同调的升、降半音之间的关系。
在小提琴中，假如以 音的弦长为基准，那么小字一组（其中的 比 高两个八度） 、 、 、 、 、 、 对应的弦长之间按照十二平均律可由频率关系确定一组固定比值。

四．研究与实验
小提琴的弦是一根两端固定的细钢丝。在拨、擦弦线时产生的波列经两固定端反射，叠加后形成驻波，但其中包含有许多频率的波。在这里，我们只对决定音调高低的基频振动做出分析研究。
驻波的基频振动所对应的为波长最长的振动，即弦长 。提琴弦线与指板之间的距离很小，用手指在指板上压紧琴弦不同位置而使得弦产生的形变量很小，可以忽略不计。则可认为弦上张力 ，及弦的质量线密度 保持不变，可得弦线中波速 近似恒定。因此，可认为有如下比例关系成立：
实验过程：一把小提琴，经专业乐师调音后，定下 音，再由一位有多年演奏经验的同学拨奏单音，多位乐感敏锐、受过专业训练的同学一起听辨，配合其他乐器校对各音高。记录及计算数据如下表。表中的k值定义如下：
相差一个半音的两个音高对应
相差一个全音的两个音高对应
序号n 音高音名 比下
音程差 弦长/mm 总长：320.0mm 上述k值
第一次 第二次 第三次 平均值 计算值 理论值 误差率
1
全音 243.0 243.8 243.7 243.5 1.11 1.12 1.39%
2
全音 220.0 220.9 219.2 220.0 1.13 1.12 0.25%
3
半音 195.5 196.1 195.0 195.5 1.07 1.06 1.11%
4
全音 182.5 181.9 183.1 182.5 1.12 1.12 0.18%
5
全音 162.5 162.0 162.3 162.3 1.13 1.12 0.48%
6
全音 143.8 143.8 144.2 143.9 1.11 1.12 1.00%
7
半音 130.0 129.8 128.7 129.5 1.05 1.06 0.79%
8
124.0 122.4 123.2 123.2
其中弦长一栏为小提琴 弦（四根弦由粗到细依次叫作 、 、 、 弦，指的是该弦的空弦音）上对应各音高压指与琴码两固定点之间的距离，即参加振动的部分弦长。
如上数据显示，平均误差率为0.74%，基本符合前文理论分析。

五．结论
我们总结出对于一把小提琴（邻弦相差五度）的自我调试方法：
以一根弦，例如 弦，的空弦音 为标准，按音高关系计算出同一根弦上 所对应的弦的长度。取 音高即与 弦空弦音等高（这是小提琴的制作要求）。依次调整 弦的松紧、长度后，再算出 弦上 的音高，作为 弦的空弦音。……同理进行下去。
此种方法适用于各类提琴及吉他等擦、拨弦乐器，但须注意：
①对于比空弦音高出许多的音，计算方法误差较大。实验中在一根弦上进行多组数据测量只是为了便于计算、对比，得出结论；实际操作中应对各相邻琴弦依次校对。
②大提琴与吉他相邻的弦空弦音相差四度，计算时应注意数据与小提琴不同。
希望我们的研究能够对广大演奏弦乐器的音乐爱好者提供帮助。

六．相关说明
1．此类内容，图书馆尚无藏书涉及，网站上相关内容也极少见到。此文为本小组同学独立研究、试验、统计的成果，必有疏漏，请老师、同学们批评指正，提出宝贵意见！
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2．原计划分别选取西洋擦弦乐器小提琴和中国民族管乐器竹笛进行类似研究。经调查，资料表明：对于笛子内部空气柱的振动来说，管内各处粗细有别，管口大小又影响到声波的流速，且管内空气柱振动时，其实际振动部分比管身要长。若用于音律学计算，还需求出管的长度和空气柱长度之间的差值，即所谓的“管口校正数”。这不在我们的研究能力范围之内，为保证科学性、准确性，故放弃此方面的研究。
3．在有音叉等专业调音、定音设备时会提高测量精确度，也会有更好的解决办法。本文所述仅供业余爱好者一试。专业演奏时，为与乐队或演唱者和谐配合，须对基准音定频测试。比如，通常公认的国际第一标准音高 的频率为440Hz。

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无声的世界
幻想一下无声的世界将怎样

在我们这个充满着绚丽色彩的世界中，声音起到着重要的作用。没有声音的世界将会怎样。让我们来幻想一下那将会是一个怎样的世界呢？是有趣的？阴冷的？安静的？还是……
人类是世界的主宰者，首先声音会对人类怎样呢？那就让我们先来谈谈声音对人类的影响吧！如果没有声音，人类会怎样呢？如果没有声音人们说话发不出声音，就像是那些失声的人打着哑语来交谈。人又为什么要耳朵呢？又没有声音能听，难道是用来装饰的吗？现在的那些优美的音乐又怎么会有呢？如果没有声音整个世界都死寂在死一般宁静的宇宙中有何意义呢？如果没有声音，学生们上学如何读书、识字呢？又怎么会有音乐、英语、信息……课程呢？又将如何表达想要表达的意思，难道靠手语吗？我实在无法想象那时的教学会是怎样的。
中国的祖先盘古制造出人类就是他觉得世界太安静了，太缺少生气了，但现在如果没有声音，没有那欢声笑语。那为什么又要有人类呢，有了人类又有何意义呢。我们不是贝多芬，也没有贝多芬的本领，即使听不见，也能够用牙咬住木棍，根据振动颅骨感到声音，但如果没有声音，连声波也没有，即使是贝多芬也不能感受到声音，更别说弹钢琴了。假如没有声音又怎么会有现在的电话呢，如果亲人在远方，他们又将如何交谈呢？难道相隔那么远也能够打手语吗？如果……如果……太多的如果了，我认为这些如果是不可以的，总而言之人类需要声音。
很难想象如果没有声音，人类将怎样生存呢！当然这不只有人类；动物也同样需要声音，如果没有声音连动物也无法生存；举个例子来说吧！蝙蝠可以说是特殊的动物了，它虽然长有一双眼睛，按说听不见总可以看见吧，但是你们可知道被喻为动物界中的“盲人”。它的眼睛是名不副实的，因为它靠得是耳朵。用耳朵听超声波来辨别位置和躲避障碍物的。如果没有声音，蝙蝠听不见声音，捕不到食物，也不能够飞翔，那它还有生存的机会吗，当然不止蝙蝠一种动物，其他动物同样离不开声音。这里举出这个例子强调“地球离不开声音”。
没有声音，人们仿佛生活在真空中，安安静静的，一丝声也没有。没有风声雨声读书声，更加鸟声歌声欢笑声。所以现在有人类生存的这个宇宙中不能没有色彩更加不能没有声音。
如果没有声音，地球将怎样？

观察一件乐器，它是由什么振动发出声音的，又是怎样改变音调和响度的

这是初中物理题吗？
乐器的类别就反映了它的发生方式。概括地说：【弦乐器就是靠琴弦发声，靠改变琴弦震动段的长度来改编音调，靠演奏（拉弓或弹拨）的力度来改变响度。】
【管乐器虽然振动源不同，但都是靠振动源带动管体内空气柱震动而发声。管乐器以改变空气柱长度来改变音调，以吹奏的气流量大小来改变响度。】
[其中铜管乐器（小号等）以嘴唇为振动源，木管乐器分气鸣和簧鸣，前者靠吹孔处空气震动（如长笛），后者靠簧片震动（如单簧管）]
[铜管乐器，气流在封闭的铜管内运行，所以它靠活塞来改编气流经过的管长来改编音调。
木管乐器靠开闭不同的音孔，来改变空气柱震动段的长度来改变音调。]
打击乐器原理很简单。是靠鼓面震动（如军鼓）或者乐器本体震动（如锣）发生。
[打击乐器分为无固定音高（如大小军鼓、三角铁等）和有固定音高（如定音鼓、木琴等）两类，前者无法改变音调，后者如木琴是通过敲击不同大小的木片发出不同的音调，定音鼓靠调节鼓面松紧改变音高。（当然是调好再演奏的）]