乐器的发声原理及物理现象分析

吕毅东

摘 要：从物理学的角度上来看，乐器发声的原因在于乐器的运动，这种运动形式为机械运动，属于物理学中的声学范畴，由此表明乐器与声学之间存在着密切联系。本文对乐器的发声原理与物理现象进行分析探讨，期望对揭示乐器发声的物理特性有所帮助。

关键词：乐器；发生原理；物理现象

一、乐器的发声原理

（一）乐器的类型

不同类型的乐器其发声原理有着明显差异，能够奏出不同特色的乐音。乐器主要分为以下三大类型：一是打击乐器，包括鼓、锣等乐器，这类乐器产生声音的原由为打击振动。如，鼓在鼓皮绷紧的状态下，受外力振动速度越快、力量越大、振幅越大，发出的声音会越响亮、音调越高；二是弦乐器，包括钢琴、小提琴、二胡等乐器，这类乐器产生声音的原由为弦的振动。不同形状的弦发出的声音特点也有所不同，若弦短而细，且绷紧，则乐器发出的音调高。若弦长而粗，且不紧，则乐器发出的音调低。乐器的声音大小取决于弦的振幅大小，为了促使乐器能够发出洪亮的声音，一般会采用木制的共鸣箱以达到增强音量的效果；三是管乐器，包括箫、长笛、号等乐器，这类乐器产生声音的原由为空气柱振动。当吹奏管乐器时，抬起不同的手指会形成不同长度的空气柱，若空气柱越长，则音调越低。若空气柱越短，则音调越高。

（二）乐器的发声特点

1.响度。响度用来衡量声音的大小与强弱，乐器的响度取决于乐器自身特性和人为演奏两种因素。其中，乐器自身特性主要体现在物理性能方面，我们所熟知的箫与小号因其物理性能的不同，所发出的声音响度也不同。小号发出的声音响度明显高于箫发出的声音响度。同时，人为演奏也是影响乐器响度的重要方面，在演奏过程中，演奏者通过控制吹、打、拉、敲的用力强度，可促使乐器发出相应的响度，用力强度越高，则响度越大。

2.音高。乐器的音高与振动频率有着密切关系，根据振动频率不同，乐器可分为高音、中音、次中音、低音乐器。如高胡、京胡等乐器属于高音乐器，而贝斯、大提琴等乐器属于低音乐器。以钢琴为例，钢琴的最高音和最低音的跨度较大，其音高取决于琴弦振动频率，最高音振动频率为每秒4096次，最低音振动频率为每秒27.5次。在乐器合奏过程中，为了保证声乐动听、和谐，必须确定下来标准音，用标准音来统一所有乐器的音高。而标准音的确定需要选择特定的校音器，如交响乐队的校音器通常选择钢琴，而民族乐队的校音器通常选择笙。随着电子设备在乐器演奏中的广泛应用，现在的乐队基本上会用电子发生器作为标准音进行乐器定音。

3.音频。音频与乐器自身构造、材质以及物理形态相关，不同类型的乐器其产生的音频存在着明显差异。在弦鸣乐器中，弦越长、越粗，则频率越小，声音越低。弦越短、越粗，则频率越大，声音越高；在体鸣乐器中，乐器体积的大小决定着频率的快慢；在气鸣乐器中，乐器管的长短决定着频率的快慢。所以在制造乐器的过程中，必须根据乐器的物理构造精确计算振动频率，从而确保乐器的音准。

二、乐器发声的物理现象

（一）受迫振动

受迫振动又被称之为强迫振动，它是在周期性外力作用下产生的。从物理学的角度上讲，几乎所有乐器都是以受迫振动作为发声原理，在对乐器进行演奏的过程中，演奏者都会对乐器施加一定的外力，如用手弹、用嘴吹、用脚踩等等，以上这些动作和行为全都归属于外力的范畴，由此可知，要想使乐器发声，就必须使其受迫振动。

（二）共振

共振是指物体在外力作用下产生的受迫振动频率趋于一致时产生的物理现象。对于乐器发声而言，共振体现在乐器共鸣，通过乐器共鸣能够增加乐器的音量，给听众带来恢弘、震撼的听觉感受。在乐器制作过程中，必须要运用共振的物理学原理精准控制乐器内部构造，优选乐器材料，从而保证乐器的声学品质。

（三）波

物体在产生振动之后，这种振动在媒介中的传播过程即为波。拍是与波有关的一个概念，并且这个概念还与乐器有着密切关联，其在音乐当中被称之为拍音。所谓的拍音具体是指两个波的振动幅度完全相同，并且两者的频率非常接近，进行合成之后，振动幅度会出现周期性的改变，这种现象就是我们所说的拍，而拍音就是拍的声音。以乐器中的钢琴为例，在对钢琴进行弹奏前，为确保音质准确，需要进行调音，此时可以拍音来对音律进行调准。

总而言之，乐器发声是物理学领域中的一种振动现象，从物理学的角度进行分析，乐器的响度、音高与音频均与乐器本身的物理特性息息相關。所以，在乐器制造或演奏的过程中，我们必须把握好乐器的物理特性，这样才能提高乐器的声乐品质，使乐器演奏出美妙、震撼、轻柔等不同感觉的音乐。

参考文献：

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