钢琴调律手法的力学分析

I 钢琴调律手法的力学分析 摘要 随着我国人们的生活水平的不断提升 越来越多的人开始学习钢 琴的弹奏 钢琴作为一种西洋键盘乐器 在古典音乐中扮演者重要的作用 被 称作 乐器之王 一架标准的钢琴由将近上万个零件组成 作为一中乐器可谓 是设计巧妙 复杂度高 而钢琴的调律工作对于钢琴的演奏至关重要 音律准 确的钢琴才能使人形成正确的乐感 建立正确的音高概念 优美的琴声需要琴 弦和音板等器件的共鸣 而产生正确的共鸣需要琴弦的张力合适 所以如何采 用正确的手法 结合每部钢琴的特点进行调律 如何提升调律的准度至关重要 本文从力学的角度出发 对钢琴调律手法 张力等问题进行讨论 关键词 钢琴调律 手法 张力 力学 II Abstract With the continuous improvement of people s living standards more and more people began to learn the piano playing As a Western keyboard instrument the piano plays an important role in the classical music and is called the king of the musical instruments A standard piano composed of nearly ten thousand parts as a musical instrument can be described as a clever design high complexity Piano tuning key for piano piano temperament accurate to make people form a correct sense establish the correct concept of pitch Beautiful piano strings and other devices need soundboard resonance while producing the correct resonance to the string tension right Therefore how to use the correct technique combined with the characteristics of each piano tuning how to improve the accuracy of the adjustment of the law is essential From the point of view of mechanics this paper discusses the method and the tension of the piano tuning Key words piano tuning technique tension dynamics III 目录 一 引言 1 一 研究背景 1 二 研究意义 1 二 钢琴弦轴的力学分析 2 一 弦轴的回转力矩 2 二 弦轴的板对弦轴的支撑以及握轴力矩 2 三 紧弦力矩和松弦力矩 3 四 两个有害力矩 3 三 调弦时扳柄方位的最佳角度 5 一 紧弦时扳柄施力的最佳角度 5 二 松弦时扳柄施力的角度问题 5 四 调律操作必定要尽力保护弦轴的握轴力 6 五 二种调律手法的利弊分析 7 六 结束语 8 参考文献 9 致谢 10 1 一 引言 一 研究背景 在中国 越来越多的家庭开始让孩子接受钢琴教育 钢琴作为乐器之王 对于孩子对音乐的启蒙非常重要 使用音律准确的钢琴进行学习和演奏 可以 增强孩子建立正确的乐感 形成正确音高概念 而使用的钢琴音律不准对学习 者和演奏者百害而无一利 所以钢琴的调律至关重要 钢琴的结构复杂 标准 的钢琴将近一万个零件组成 一共有 230 根琴弦构成 这些琴弦的总拉力一般 在三千五百到三千六百磅之间 1 影响钢琴音律的因素有很多 即使是同一台 钢琴 在不同地区 不同环境中 由于压力 湿度 温度等条件的差异性 音 准也会发生变化 为了确保钢琴音准的正确性 每年都应该对钢琴进行至少两 次的音律调节 同时要对钢琴进行完整的机械检查 防止出现机械故障引起的 音律不准 二 研究意义 钢琴的调律可以确保钢琴的音准趋于正常 是一个钢琴音色增长的过程 经过正确的调律以后的钢琴 可以给钢琴演奏者和听众带来美的感受 同时也 是确保钢琴长时间使用的一种方式 本文主要是从力学的角度对钢琴调律进行 分析 钢琴调律师在调节钢琴的音律时 主要靠经验和感觉 当然现代技术可 以有许多先进的设备检查调教的音律是否正确 但是调节音律的手法和姿势是 每个钢琴调律师所独有的 2 本文分析钢琴调律手法的力学问题 主要意义在 于选择一种正确的手法和姿势进行调律 可以降低调节难度 提高工作效率 有利于钢琴调律师节省体力 降低疲劳度 避免身体受到损伤 最重要的是可 以方便调律 提高钢琴调律的准确性 2 二 钢琴弦轴的力学分析 钢琴弦轴是给钢琴琴弦提供拉力的器件 就相当于我国传统乐器二胡的弦 轴一样 通过将琴弦的一段缠绕在弦轴上 然后旋转弦轴就可以将琴弦卷起拉 紧 完成钢琴高音的调节 一 弦轴的回转力矩 弦轴回转力矩是转子绕轴转动时维持转轴方向不会发生变化的惯性力矩 3 如图 2 1 所示是一个弦轴的简单示意图 通过回转力矩的计算公式可以得出钢 琴弦轴所具有的回转力矩 M1为钢琴琴弦的张力 T 与钢琴弦轴直径 d 乘积的二 分之一 具体如下式 2 1 所示 4 2 1 TdM 2 1 1 图 2 1 钢琴弦轴回转力矩示意图 二 弦轴的板对弦轴的支撑以及握轴力矩 弦轴的板和弦轴之间的作用主要表现为摩擦作用 假设弦轴的板和弦轴之 间的摩擦作用系数是 K 弦轴对于孔壁有一个正向的压力 P 所以根据摩擦力的 3 计算公式可以计算出弦轴的板对弦轴之间的作用力为式 2 2 所示 5 6 2 2 KP f 所以 该握轴力矩的大小 M2可以通过式 2 3 计算 7 2 3 KPdfdM 2 1 2 1 2 三 紧弦力矩和松弦力矩 通常钢琴调律的是为了调节钢琴音色的高低 方法是通过旋转弦轴进行紧 弦和松弦 调音师在调律时会用手对扳柄施加一个力 F 紧弦时的力为 F紧弦 松弦时的力为 F松弦 板柄的力臂长度为 h 8 所以通过力矩的计算公式可以分 别计算出紧弦力矩 M3和松弦力矩 M4 具体计算方法如式 2 4 和 2 5 所 示 2 4 h 3紧弦 FM 2 5 h 4松弦 FM 那么 紧弦时琴弦的张力增加 要想扳动板柄 施加的必须满足公式 2 6 的力矩条件 2 6 KPdTdF 2 1 2 1 h 紧弦 松弦时琴弦的张力减小 要想扳动板柄 施加的必须满足公式 2 7 的力矩 条件 2 7 TdKPdF 2 1 2 1 h 松弦 所以通过对比式子 2 6 和 2 7 可以明显看出紧弦的力矩要远远大于松弦的 力矩 4 四 两个有害力矩 如图 2 2 所示 可以看出在给钢琴调律时还有两个容易被忽略的有害力矩 这两个力矩容易使得弦轴在弦轴孔中晃动 并使得弦轴和弦轴孔发生强烈的摩 擦 严重时可能弦轴发生断裂 9 图 2 2 旋转弦轴产生的两个有害力矩示意图 弦的拉力传递给弦轴轴心会产生一个垂直于弦轴的力 f1 这个力会产生一 个力矩 fa 该力矩的大小和紧弦和松弦时扳动板柄的力有关 该力矩会使得弦 轴在弦轴孔中晃动并增大摩擦阻尼 10 扳动板柄时 会产生一个沿着板柄的扳 头传递给弦轴头部中心的力 f2 该力同样会产生一个使得弦轴在弦轴孔中晃动 的力矩 fb 该力矩的大小不仅和弦轴的松紧有关 还和扳动板柄产生的回转力 矩有关 5 三 调弦时扳柄方位的最佳角度 由于钢琴弦轴的机械装置的设计特点 弦轴板柄可以在大于 180 的范围 内进行旋转操作 对于一般的钢琴来说 那种弦轴板柄旋转角度最好呢 答案 是选择一种可以增强前三种力矩 降低后两种力矩的操作方式 下面从紧弦和 松弦两种工作方式进行分别分析 一 紧弦时扳柄施力的最佳角度 按照正常人的操作习惯 一般用左手从左侧向上提 遂产生两个方向相反 的作用力 f1和 f2 这两个力产生两个方向相反的力矩 fa 和 fb 两者作用方向相 反 同时作用的效果是使得双方相互削弱 使用右手从右侧向下压 遂产生两个方向相同的作用力 f1和 f2 这两个力 产生两个方向相同的力矩 fa 和 fb 两者作用方向相同 同时作用的效果是使得 弦轴在弦轴孔中的晃动增强 降低弦轴的稳定性 11 经过上文的对比分析可以得出紧弦时 应该用左手在左侧左上方 45 的范 围内操作 也就是在表盘方向的 10 点钟到 12 点钟的范围内操作 不从 9 点钟 的方向操作 主要是因为 9 点钟的方位受到钢琴自身结构和操作便捷性的方面 考量 而对于习惯使用右手操作的调音师而言 为了降低 fa 和 fb 这两个方向 相同的有害力矩 应该在 12 点钟的附近操作 二 松弦时扳柄施力的角度问题 在松弦操作时 从施力力矩公式可以看出 施力 F 产TdKPdF 2 1 2 1 h 松弦 生的晃动力 f2非常的小 所以可以不用考虑角度问题 而 f1是由弦的张力 T 引 起的 所以在松弦的时候对 f1进行消弱意义不大 因为它是一个持久性作用力 综合考量松弦时应该在 12 点钟到 2 点钟的方向进行逆时针操作 这时使用左右 手操作皆可 综上所述 在紧弦时 左手操作应该在 10 点钟到 12 点钟之间操作 使用 6 右手应该在 12 点钟附近进行操作 松弦时应该在 12 点钟左右操作 左右手均 可 7 四 调律操作必定要尽力保护弦轴的握轴力 钢琴的每个弦的音准和弦的张力息息相关 保持琴弦张力的稳定性是确保 音准稳定的前提 通过上文分析了解到琴弦的张力稳定性和弦轴与弦轴板孔壁 的摩擦力有关 根据摩擦力的物理计算公式 4 1 可以看出 摩擦力和摩擦系 数 以及正压力 Fn有关 12 4 1 n FF 其中 摩擦系数 和弦轴与弦轴板孔壁粗糙程度有关 同时和正压力 Fn 也 有一定的关系 在调律时 会降低弦轴与弦轴板孔壁粗糙程度 造成摩擦力降 低 最终小于琴弦对弦轴的回转力矩 无法保持琴弦张力的稳定性 所以保护 这个摩擦面至关重要 具体方法是 避免双向往返转动转轴 通常采用单向转 动弦轴 力求一次调节到位 避免多动次数过多或者转动幅度较大 8 五 二种调律手法的利弊分析 通常使用的调律手法通过扳子旋转弦轴 旋转的手法有 碰拽 和 拧转 碰拽 就是指通过手去碰撞或者敲击扳子 扳头就会产生一个冲撞弦轴棱角 的撞击力 使得弦轴发生有利而短距离的转动 宁转 是通过手凭借经验转动 扳子 使得弦轴产生轻微的转动 目前来说最常见 最便捷的操作是 宁转 为主 碰拽 为辅 在紧弦时 由于弦枕的阻滞 使用 碰拽 的方法可以产生上段受力不能 传递给下段 或者当音差较大 低于标准音 60 分以上 时 碰拽 的方法由 于转动幅度较大 用力过猛等原因 最终使得受力不均 造成上段被拉断 13 在弦轴过紧时 也不要采用 碰拽 的方法 因为此时使用 碰拽 可能造成 弦轴虚转或者转动角度多大 造成音准无法长时间稳定或者重复操作 对于这 些情况使用 宁转 的方式比 碰拽 的方式相对较好 相反 在松弦时 由于弦的张力对弦轴产生明显的回转趋势 所以此时只 要掌握好 碰拽 的力度 就可以较好的松弦 在实际当音差较小时 且弦轴 不太紧 使用 碰拽 进行短促施力相对 宁转 较为方便 总之两种方式有利有弊 合理选择调律方式 保持弦轴紧固 方式发生断 弦 降低操作次数 切勿较大范围的转动 9 六 结束语 本文从力学的角度分析钢琴调律的手法问题 首先分析钢琴弦轴的力学问 题 然后阐述了调弦时扳柄方位的最佳角度和如何保护弦轴与轴板孔壁的摩擦 面 最后通过对比阐述了 碰拽 手法与 拧转 手法的利于弊 钢琴的音准 对于钢琴自身和使用者至关重要 掌握钢琴调律的手法 采用科学的态度 掌 握各种调节手法的好坏 接钢琴自身的特点 因地制宜地选择正确的调律手法 这样才可以调节好钢琴 并不断提升自己的技艺 10 参考文献 1 刘金寿 钢琴调律手法的力学分析 J 演艺设备与科技 2006 06 53 55 2 刘金寿 钢琴调律的几个力学问题 对调律手法的讨论 J 乐器 1992 02 5 8 3 刘金寿 钢琴走律诸因素的力学分析 对调律后效的讨论 J 乐器 1993 03 8 11 4 闫志远 钢琴调音理论及实践的相关研究 D 中国艺术研究院 2008 5 齐丽花 钢琴制造工艺与音律理论研究 D 山东艺术学院 2012 6 刘金寿 刘远 钢琴的物理结构及张弦系统的力学分析 J 演艺设备与科技 2007 02 60 63 7 陈晓苏 影响钢琴音准稳定性的重要因素 J 音乐生活 2007 11 62 63 8 崔佑群 钢琴调律中音准稳定的有关技术研究 J 哈尔滨学院学报 教育 2003 06 97 99 9 张迪华 钢琴调律中几个问题的思考 J 衡阳师范学院学报 2008 05 170 172 10 李颖 钢琴琴弦受力变化对钢琴调律操作方法的影响 J 鞍山师范学院学报 2015 06 78 81 11 罗燕 钢琴乐器及钢琴音乐的历史发展 D 上海音乐学院 2010 12