钢琴音板的木材特性分析

卢向忱

摘 要：作为钢琴的主要特性之一，其音質是决定钢琴品质好坏的重要因素。钢琴音质则取决于钢琴音板的特性，音板的木材特性能够直接决定一架钢琴的品质。通过分析木材的特性，可以选出更为适合制作钢琴音板的木材品种。本文主要针对钢琴音板的组成与功能、共振板的选材和结构特征、云杉木材的声学特性展开分析，说明了选择钢琴音板应当综合考虑木材的特质，科学选择。

关键词：钢琴 音板 木材特性

钢琴的音质与钢琴音板有着最密切的关系，而进行钢琴音板制作的木材特性则决定了其的质量优劣。那么究竟选择怎样的云杉木材才能制作出高品质的钢琴音板呢？本文主要就钢琴音板制作的结构、音板的选材、云杉木材结构和声振动特性、以及木材振动中对钢琴声音影响的几个重要的参数等相关问题作出阐述与分析。

一、钢琴音板的组成与功能

卧式钢琴的音板和立式钢琴的音板形状上的区别较大，但选材与结构都相同。音板结构包括共振板在内的弦码、肋木以及音板框这四个部分。①本文主要就钢琴音板组建过程中的主体这一部分-共振板的木材性能进行阐述与分析。

（一）共振板的结构

共振板是由宽度为100～150毫米径切的云杉木板粘合而成的长方形。一般立式钢琴共振板的尺寸为1000毫米×l400毫米，卧式钢琴为1400毫米×2300毫米，厚度一般为7～10毫米之间。此外，共振板必须呈弧面，其凸面粘有弦码，凹面粘有肋木，使共振板两侧达到力的平衡。

（二）音板的功能及其所具有的作用

作为钢琴的主要组成部分，钢琴的音板可将弦码接受琴弦的振动能量向空气中进行传播，以达到强化音量的作用；此外，优质的音板还具有滤波器的作用，它能够将杂音滤掉从而得到和谐悦耳的音色。因此，作为音板的主要组成部分的共振板，其承担着接受声波并传导声波的主要功能。所以，共振板的选材、制作工艺会直接影响钢琴声音传导性、均匀性、协调性和延展性等。

二、共振板的选材及结构特征

（一）共振板的选材

制作共振板的主要木材是云杉。云杉为耐阴性较强的树种， 喜寒冷与冷湿的气候，在高纬度的寒带、寒温带至低纬度的高山的阴坡、半阴坡和谷地形成纯林。目前，全世界范围内遍布云杉40多种。而中国则是拥有云杉植物种类最多的国家，这其中有大约一半的不同种类的云杉分布在我国的东北、华北、西北、西南及台湾的山地及亚高山地带，尤以横断山地区种类最多，木材蓄积量丰富。根据叶的形状、叶上气孔线的多少和有无，可将云杉属分为3组：①云杉组；②丽江云杉组；③鱼鳞云杉组。②

（二） 云杉木材的自身结构特性

云杉是一种树干高而直、枝节少、纹理通直、材质较为松软、中等密度的木材。仔细观察后您会发现，云杉这种木材的结构不但细致而且非常均匀，于其上普遍有树脂道，而木材的颜色则主要集中在乳白、淡黄、棕红色这三种。其非常容易加工，且边材与中心材的材质区别并不是很明显，同时还具有极好的共鸣特性。其中一种生长在中国北方森林中名为白松又称鱼鳞松的云杉，人们对其进行测试后发现，其顺纹传声的速度可以达到一秒内5166米。还可对3000-5000高频率/秒的发音进行阻隔。（参见胡扬吉、陈善详《钢琴的音板结构及其声学品质》，《声学技术》2008年第四期）。另外，人们还在欧洲中部地区和东部地区发现了具有同样共振优越性的云杉。正是由于云杉所具有的这种优质共振特性，所以非常适合被用于制作钢琴音板。③

音板的选材，不仅对云杉木材基本结构属性有充分的认识，还必须运用木材振动性质合理的评价各树种木材声学性能，以指导钢琴共振板的合理选材。

三、云杉木材的声学特性

（一）木材进行振动的基本方式

通过研究人们发现，木材进行振动的方式主要有三种：一是木板纵向振动情况。此时，振动的质点会随着移动方向的变化并平行的与介质内因力的方向发生振动。其的振动频率保持在fr上进行共振，同时也会在fr频率的整数倍上发生共振，不过此时的振动被人们称为高次谐的振动。二是木板横向振动情况。所谓横向性的振动是在振动质点出现位移情况时与应力方向发生相互垂直运动时所产生的振动。人们也将横向振动称为弯曲运动；三是逆转的振动。此振动方式为，当震动的元素出现位移时，会向其周围试件的长轴进行周期性回转而引发的。一般情况下，乐器木材上的振动多为横向的弯曲振动，其中钢琴的音板振动便属于此一类型④。因此，在钢琴制作的过程中，将共振板木材的振动做到最佳是根本。而木材共振主要是靠发音的强度和内在摩擦力所决定的。其中音响系数越大，则共振性能越强。在受到外界力的冲击下，木材便可根据自身的振动辐射发出音来，即我们所听到的动听音乐。

（二）影响木材振动的几个参数

木材振动的几个参数包括：相对密度、动弹性模量、声辐射品质常数、生长轮宽度、晚材率等几个主要参数，它们的不同变化对钢琴声音产生重要的影响。

1.木材相对密度

密度是某一物体单位体积的质量，通常以g/cm3或kg/m3表示。其与含水率存在着一定的关联性，不同含水率下，密度是不同的。据此，人们用三种方式进行表示。

（1）基本密度：

基本密度=■g/cm3

（2）全干密度：

试材的全干质量对全干体积的比值，即：

全干密度=■g/cm3

（3）气干密度：

通常是指在气干后木材的含水率为15%时的密度。

气干密度=■g/cm3

木材的相对密度是一个比值，与木材密度相同。如，某木材气干材的密度0.278g/cm3，水在4℃时的密度是1g/cm3，将二者相比，得0.278，这表明其的相对密度是0.278。⑤

2.动弹性模量

动弹性模量分为纵波动弹性模量（公式为：EL= 4L2f2m pm2 ）和横波动弹性模量（公式为：EF=48∏p L4f2m /（m2 T2）。⑥木材动弹性模量的数值，则是衡量木材声学性能的重要指标之一。

3. 声辐射品質常数

木材在发生振动以后，在未受到外力施力的情况下，其振动的能量则会相应衰退消失。所谓木材声辐射能力指的是，向空气进行辐射时声功率的情况，用木材密度和弹性模量关系来说明木材的声学性质。即公式为：

R=■（式中：R——木材声辐射品质常数， E——木材弹性模量， P——木材密度）。

R代表木材对声辐射的一种能力。通过公式得出R和E的平方根具有正比例的关系，但是和木材密度的卢立方平方却存在成反比例的关系。在木材声学性质角度下，该常数的绝对值越大，则木材品质会越高。就此我们得出，那些密度相对较高的木材，其的R则相对较低。就云杉木材而言，其的密度并不高，但弹性模量却很大，所R较大，经过测算可得出R的绝对值要大于1200。⑦

4.生长轮宽度

木材的宏观构造特征包括生长轮宽度和晚材率。生长轮宽度与管胞长度、管胞直径、管胞壁厚、壁腔比、长宽比、胞壁率和纤丝角等木材解剖分子形态特征有关。从实验数据证明：钢琴共振板所用木材的生长年轮最适度宽度（1.0mm—1.5mm），其动弹性模量、声辐射品质常数较大。因此，木材声能损耗小，振动能量大，振动声音持久。⑧

5.晚材率

木材的晚材率是指晚材在一个年轮中所占的比率。其计算公式为： P = b / a ×100% 其中：P代表晚材率，用%表示；a代表年轮的宽度，单位厘米；b是一个年轮内晚材的宽度，单位厘米。

我们用晚材率即P来对木材强度的大小进行衡量值，所以木材的晚材率如实较大，相应的木材硬度也会很高。不仅如此，晚材率还P与动弹性的模量、声辐射品质的常数之间存在非常紧密的关联性。而最适合做钢琴共振的晚材率应在15%—28%之内。

（三）木材传声性能

木材是由管状细胞组成的，所以有良好的传声性，为了衡量传声，人们便确定了声速这一衡量指标。

其中，在木材中声音所传递的速度同弹性模量即E的平方根之间存在正比例关系，而与密度p的平方根则具有反比例关系。这同时表明，声的传播是取决于木材的刚度与密度的。

公式为：

υ=■（式中：υ——在木材中声传递速度，E——木材弹性模量， P——木材密度）。

作为向异性材料，木材在传声的过程中是很有规律的，同时还存在一定的方向性，且会随年轮的方向发生不同的改变。通常与横向年龄传播相比顺着年轮的方向进行传递时的速度会更大、更快。我看哈将横年轮方向在此进行了分析得出了径向和弦向，其中径向传递速度要更快。对云杉进行相关的测试后得出

顺年轮方向的传声速度可达到每小时5000米，而径向时的速度则为每小时1450m米，弦向时的速度为每小时850米，这说明木材传声具有向异性。⑨

而正是由于木质中声波传播的不同，引发了音板振动不均匀情况发生。所以，肋木结构被设计在了钢琴的音板上。其既可起到强化共振硬度、抵抗弦马压力的作用，又能起到将横越年龄声波进行传递的作用。进而促使音板发生整体共振，将其内不均匀性消除。

结语

作为乐器中非常重要的一个组成部分，钢琴音板的发生振动不是孤立的个体。其实，一台钢琴的构成正是由其和其他组件做构建完成的，因其的不同而产生了不同品质的、不同风格的钢琴。这表明，任意一台钢琴的音板都是独一的，不会发生重复情况，只能是相似。这同时表明，云杉的每一段木材都是独立的，用其所制作出的音板各有不同。这便要求我们在进行钢琴制作的过程中，应以科学的方法来对各个工艺、流程进行指导。不能生搬硬套数据公式来自作，一定要重视起学生和工人工作态度及专业性的培养。以达到提升其对于制作原料木材性质能力进行判断、处理的能力，确保木材被充分的利用，为实现制作出最为优质、高品质钢琴奠定下一个良好的基础。

注释：

邵申弘.钢琴结构概论[M].辽宁教育出版社，2009.

程生宝，韩继贤.钢琴的木材选材[M].

李坚，葛明裕.木材科学研究[M].科学出版社，2009.

马尔妮，赵广杰.木材物理学专论[M].中国林业出版社，2012.

邹孝廉，徐守春，董瑾.钢琴木材与涂饰工艺[M].中国轻工业出版社，2002.

刘镇波，沈隽著，刘一星主审.共鸣板用材的振动特性与钢琴的声学品质[M].科学出版社，2009.

邹孝廉，徐守春，董瑾.钢琴木材与涂饰工艺[M].中国轻工业出版社，2002.

刘镇波，沈隽著，刘一星主审.共鸣板用材的振动特性与钢琴的声学品质[M].科学出版社，2009.

邹孝廉，徐守春，董瑾.钢琴木材与涂饰工艺[M].中国轻工业出版社，2002.

作者单位：沈阳音乐学院