一提到鋼琴，不少曾飽受鋼琴補習班“折磨”的同學恐怕會心里發怵，而鄰居們估計也是在噪音的摧殘下苦不堪言。

在苦練鋼琴技藝的同時，大家有沒有思考過，鋼琴是如何發出那些動聽琴音的呢？

(資料圖)

作為一種源于西方的鍵盤樂器，鋼琴具有音域寬廣、音量宏大、音色優美和表現力豐富等特點，巴赫、莫扎特、貝多芬、舒伯特、李斯特等幾乎所有的西方近現代著名音樂家都曾專門為鋼琴譜寫過樂曲，因此鋼琴被譽為“樂器之王”。

那么在那龐大的箱體里到底藏有哪些秘密，讓它得以獲此殊榮？

常見的立式鋼琴（左）和臥式鋼琴（右）

圖源：某電商平臺

其實，鋼琴發聲的原理并不神秘，與我們身邊所有物體得以發出聲音的原理都是一樣的，那就是振動發聲。

想象一下：大風天氣下的旗桿頂端會來回搖擺；一根彈簧被拉長并釋放后會不斷地來回伸縮；鼓面會在鼓槌的敲擊下上下起伏…… 這些現象都有著同一個特點，那就是物體在某一位置的附近做往復運動，這種現象被稱為機械振動（簡稱振動），人教版高中物理選修一就講到了這個知識點。

不同物體振動的速度是不同的，如蜂鳥振翅的速度就明顯高于大雁的振翅速度，這種振動的速度通常以振動頻率這一概念表示，具體是指物體在單位時間內振動的次數，單位是赫茲（Hz）。

科學家們研究發現，人耳的聽力范圍是20-20000赫茲，當物體振動的頻率達到這一范圍時，就可以被耳部的鼓膜以及大腦中的聽覺神經感受到，我們這才會認為某一物體發出了聲音。

當聲源振動較為柔和時，我們會覺得動聽、悅耳；而當聲源振動激烈時，我們便會覺得刺耳。

許多小動物的聽力范圍要比我們人類寬得多，所以它們的聽力非常靈敏，可以聽到一些我們無法感知到的次聲波和超聲波。

鋼琴是非常精密的裝置，主要由外殼、鍵盤機械、琴弦、音板和踏板等部分組成，所有零件加起來足足有上千個。

其中，鍵盤機械、琴弦和音板是鋼琴得以發出悅耳琴音的三大武器。

鋼琴的主要結構，圖源：搜狐

對，沒錯，鋼琴內部也安裝有許多琴弦，琴音最初正是來自于琴弦的振動發聲。

只不過，這些琴弦都處于緊繃狀態，內部存在著巨大的張力，所有琴弦加起來足有15-20噸，所以我們無法像彈吉他那樣用手指撥動這些琴弦。

而鍵盤機械的作用，就是通過杠桿原理，使我們只需要輕輕按下琴鍵，便可以使琴弦振動起來。所以，鍵盤機械是非常重要的部件，被稱為鋼琴的“心臟”。

鍵盤機械和與其連接的琴弦，圖源：知乎

一套鍵盤機械主要由諸多琴鍵以及相同數量的擊弦機組成。其中擊弦機主要由聯動杠桿、轉擊器、弦槌、止音杠桿等諸多部件組成，通過弦槌敲擊琴弦的方式使其振動發聲。

單個擊弦機圖示，圖源見水印

當我們按下琴鍵時，與琴鍵相連的擊弦機內部的一系列杠桿機構開始運動，使末端的弦槌得以有力地敲擊對應的琴弦，使琴弦開始振動并發出聲音。

當琴鍵處于按壓狀態時，對應的琴音可以持續發聲，這是由于擊弦機內安裝有特制的擒縱機構，可以保證弦槌在敲擊琴弦一次后便立即脫離接觸，不影響琴弦后續的自由振動。

當我們松開琴鍵時，琴鍵回彈，擊弦機上的制音頭立即與琴弦接觸，使其迅速停止振動，不再發出聲響。這種及時制音的裝置可以使琴音聽起來清脆、利落。下面的動圖展現了擊弦機敲擊琴弦與制音的過程。

擊弦機的工作過程，圖源：360doc

鋼琴的琴弦長短、粗細不一，它們所發出的聲音也就各具特色。琴弦越短越細，其振動頻率越高，琴音越顯得尖細；而琴弦越長越粗，則振動頻率越低，琴音就越顯得低沉。

我們按壓琴鍵的力度也可以控制琴音的音色，這是由于按壓力度可以控制弦槌敲擊琴弦的速度，進而影響琴音的音色。

優秀的鋼琴家一般都能夠熟練掌握鍵盤機械系統的構造和基本原理，在調音時可以通過對擊弦機的精細調整來使鋼琴的發聲效果達到最佳狀態。

不過，對于公開場合演奏而言，僅憑琴弦發聲的音量是遠遠不夠的。為此，鋼琴內部還額外安裝了特制的音板，利用共振的原理來放大琴弦的聲音。

共振是一個與物體固有頻率相關的物理概念，高中物理課本中就曾講過，一個物體處于自由振動狀態時的頻率被稱為固有頻率，這種特性與外界作用無關，只與物體的自身性質有關。

換句話說，就是每一個物體都有自身獨特的振動節奏。當某個物體所受到外力的節奏和它自身的振動節奏相同時，這個物體便會出現相當明顯的振動。

共振在我們的生活中非常普遍，馬路邊的建筑物玻璃會隨汽車的經過而輕輕晃動、海螺殼里會發出類似海浪聲的轟鳴以及輕吹小號和笛子便可以發出響亮聲音等，都屬于共振現象。

鋼琴的音板由很薄的木板制成，其質地均勻，略微呈弧形，且具有良好的彈性。當鋼琴琴弦振動時，旁邊的音板便會由于共振的作用而同步振動起來。由于音板的表面積較大，振動幅度遠超琴弦，因此可以將琴弦發出的聲音均勻地向四周空氣傳播，從而起到放大聲音的作用。

不難看出，鋼琴最終發出的琴聲質量好壞與音板的擴音性能有著密切的關系。人們研究發現，音板的聲學性能不僅與其外形、厚度和干燥程度有關，還與木材密度、纖維長度、纖維走向以及木材細胞的微觀構造等多種因素有關。

目前國內外高品質的鋼琴廠家均采用云杉或魚鱗松木材制造實木音板，以獲得較高的琴音品質。

正在制作的音板，圖源：搜狐

鋼琴上一般還安裝了左、中、右三個踏板，它們同樣可以影響琴音的效果，是一種類似于游戲外掛的存在。

踩下左踏板，可以將琴音減弱三分之一，稱為弱音踏板；踩下右踏板，可以使琴音在松開琴鍵后也不會立即停止，稱為延音踏板。中踏板則在不同鋼琴中有不同的功能，如有的可以大幅降低鋼琴音量，方便我們練習；有的則可以使特定琴鍵的琴音獲得延音效果。

鋼琴的踏板

踏板的靈活運用可以對鋼琴演奏起到畫龍點睛的效果，“鋼琴詩人”肖邦就以精湛的踏板技巧著稱，創造出了許多優美的旋律。

這下我們知道了，鋼琴的發聲原理并不神秘，鍵盤是鋼琴的“手指”，用來敲動琴弦；琴弦是鋼琴的“嗓門”，用來振動發聲；音板則是鋼琴的“擴音器”，用來高質量地傳播琴音。

當然，想要彈出美妙的樂曲，還需要一個富有創造力的“大腦”，你有么？

來源：soogif

參考文獻：

1. 高中物理選修一,義務教育教科書,人民教育出版社,2007.

2. 張致和，劉金壽，王彥亮等. 鋼琴學習使用指南[M]. 沈陽：遼寧教育出版社, 1994.02.

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作者：流火，兵器工業203研究所工程師