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温度、湿度与钢琴音准稳定的关系

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  钢琴音准的稳定问题对演奏者及钢琴生产厂家来说是非常重要的。钢琴所特有的声学品质及音色特征,只有在音律准确的钢琴上才能表现出来。然而,气候条件的改变,破坏了钢琴的音准稳定性,使钢琴的音准由于所处环境(温、湿度)的变化而受到影响,钢琴演奏的稳定性和准确性发生了变化。本文分别就温度与湿度对钢琴音准稳定的影响这一实际问题作一初步的分析。

  温度与琴弦

  在钢琴结构中,弦列是钢琴重要组成部分之一,是声音的发源体。张紧的琴弦受迫振动后发出一定频率的音,不同音律的十二音体系构成了钢琴所特有的音域。我们知道,当物体所处环境的温度发生变化时,物体的许多性质将发生改变。钢琴的琴弦受热后,随着温度的升高,能够导致琴弦逐渐膨胀。琴弦的表面有一层金属保护膜,对于温度的初始变化阶段(或温差不是很大时)起到保护作用,使钢琴的音准暂时处于一种稳定状态,但随着温度的继续升高,金属保护膜的温度也会升高,琴弦的温度随之变化,频率就会发生改变。

  物理学中,金属的膨胀系数非常小,大约在6.7×10ˉ6/℃。当温度的变化不是很大时,琴弦在线性方向上单位长度的改变量与原长的比值近似的与温度的改变量成正比,即:

  ΔL/L=αΔtΔL=L×αΔt

  ΔL----琴弦单位长度的改变量

  L------琴弦的原长

  α-----琴弦的膨胀系数

  Δt----温度的改变量

  为便于说明问题,我们以一台YAMAHA五尺半三角钢琴为例,第42键琴弦的长度为58cm,当阳光照射到钢琴上,温度由12℃增加到37℃时,由上述公式即可得出,ΔL=6.7×58×25=0.009715cm,琴弦的长度由原来的58cm增加到58+0.009715=58.009715cm。虽然琴弦长度的改变只有0.009715cm,但对于固定在弦枕与弦码之间的有效弦长,即使是一个很微小的热量膨胀后的琴弦长度的变化,都会引起它的张力改变,因而,频率产生了变化。

  由琴弦的振动公式

  f----琴弦振动的频率

  l----琴弦的长度

  T----琴弦的张力

  m----琴弦的质量

  可看出,琴弦振动的频率受琴弦的长度、张力、以及琴弦质量等因素的制约,当温度升高时,琴弦有微量的伸长,张力减小,使频率降低;当温度恢复到原来的高度时,音准也随之好转,但不一定回到原来的音准状态。因为琴弦部分的张力平衡受到破坏,当温度继续降低时,琴弦因此而紧缩变短,张力增大,频率则升高。

  以上是通过理论计算得出的结果,实际工作中仍然能说明温度的改变给音准稳定所带来的问题。本人用一台普通的三角钢琴作了实验,在这台琴的音律全部调完之后,用音准仪测量了小字三组的e和f两个音的音分值。然后采用加热器使室内温度升高,20分钟后,两个音的音分值分别降低了8音分和9音分,其它音也出现了跑律的现象。当停止了加热器的使用后,温度又降低到原来的度数后,两个音的音分值即开始回升至原来的位置。

  综上所述,由于温度的改变,使钢琴的琴弦发生了微小的热胀冷缩的现象,固然对钢琴的音准产生了一定的影响,但在正常的自然环境下,将钢琴摆放在离加热器较远、阳光不能直接照射的位置,温度只要相对比较稳定,那些与频率变化有关的因素就会影响很小,音准就处于稳定状态下。

  湿度与音板

  湿度对钢琴音准的影响也是不容忽视的。因钢琴的各个组成部分中,绝大多数都是由木材加工制成的。在钢琴生产中,虽然对木材都进行干燥处理,但由于处理的方法或程度不同,仍不能避免湿度的变化对音准稳定的影响。空气中湿度的变化,会改变钢琴中木材的含水率,使用以制作音板、弦轴板、击弦机等木材因此吸收或释放水分而产生变化。影响了钢琴的音准稳定程度。

  钢琴的音板是由一张厚度约8—9毫米面积约1.5平方毫米的共振板、隆起音板弧面的肋木、传导琴弦振动能量的弦码、以及音板框组成的薄木板,是决定钢琴音色、音量的重要组成部分之一,对钢琴的音准稳定起着重要的作用。由于一年四季气侯的交替变化而引起空气湿度的改变,使木材的含水率随之改变。空气中的湿度包括相对湿度和绝对湿度两种含义,相对湿度是一个不定量的百分数值,是以空气中所含有的水分子的百分比来表示的,是一个相对的数值。而绝对湿度是定量的。是一个固定数值。相对湿度的数值大小,决定空气的干燥与潮湿程度。钢琴使用环境的相对湿度应在50%--60%之间最合适。如果相对湿度值超出了钢琴所适应的范围,无论是过于潮湿还是过于干燥,都对钢琴的使用产生一定的影响。因此,这些环境因素的变化,决定了音板木材的含水率是否失去平衡,音准能否处于稳定状态。

  因为空气中所含有的水分与温度是密切相关的,也就是说,相对湿度是随着一年四季温度的变化而改变的,木材的含水率也发生变化。三者之间存在着一定的相互关系(如图)。

  从图中我们可看出,如果冬季室内温度达到20℃左右时,相对湿度在20%,木材的含水率为5.0%。到了温度同样是20℃夏季,空气的相对湿度如果达到50%,那么,木材的含水率将达到9.5%。可见,同样温度下的冬季到夏季,空气中的相对湿度不同,木材的含水率发生了如此大的变化,使木材产生膨胀现象。经过夏季这一段时间后,空气湿度又回到冬季的状态(在没有采用任何措施的情况下),木材的含水率又发生变化,使木材产生了收缩的现象。木材的这一膨胀与收缩,必然会引起湿胀干裂的变形现象的发生。

  一般情况下,在木材含水率变化相同时,弦向切割的木材变化程度要大于径向切割的变化程度,这与木材的构造有关(这里不作详细介绍)。音板在选材时,为了达到一定的声学常数值,选用的即是径向切割的木材。实验得出,假设音板木材的含水率发生1%的变化时,音板木材的宽度将发生0.12%的变化,既是说,当空气相对湿度由30%变化到50%,木材的含水率即由5.0%变化到9.5%,那么,4.5%的湿度变化,将会引起音板宽度以每100cm伸缩4.5mm的变化。严重情况下可达到每100cm伸缩8mm的变化程度。这么大的变化率,对于有着音板框固定的音板来说,无法承受,只能使音板的弧度发生变化,湿胀时向上更加隆起,干缩时音板弧度趋平(严重者可能会开裂),从而使琴弦向下的压力和音板向上的支撑力失去平衡,为了能够维持这种平衡状态,琴弦的张力势必发生变化,从而导致了音准不稳定的现象。

  制作钢琴的主要材料是木材,所以难免受到温度与湿度变化的影响,无论钢琴使用与否,都是如此。无论是多么高级的钢琴都存在这个问题,只是问题存在的严重程度不同。但是,如果能够控制住钢琴存放环境的干、湿度,并定期请专业调律师进行调律及保养,就能够保证钢琴的正常使用,奏出美妙的乐章。

  

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