从吉他身上学到的物理知识

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当你仰望星空,是否会想到眼前的点点闪烁是来自光年之外的银河;当你在郊外远足,是否只顾赶路而忽略了沿途的风景。

吉他构造图

1、声音是一种机械波

声波是一种机械波,由物体(声源)振动,带动空气振动,从而形成声波。

吉他的发声原理如下图,我们拨动琴弦(机械振动),产生的振动通过弦枕和琴桥传达给面板(文章提到的面板没有特殊指明都是正面板,也就是音孔那面),面板的振动挤压箱体内的空气,带动空气振动,产生声波。

最基本的声波就是简谐振动(下文会提到)所产生的正弦波[1]了。传统乐器一般都依靠简谐振动发声,比如琴弦、簧片、鼓面等的振动,因此发出的也是正弦波。

根据能量守恒定律[2],从拨弦到发出响亮的声音,都是你弹指间的能量转换,原生吉他并没有额外的能量施加。

2、吉他弦的振动是一种简谐振动

简谐振动是最简单的一种机械振动,当物体进行简谐运动时,所受的力跟位移成正比,并且力总是指向平衡位置。

在吉他弦大概中间位置(靠近音孔的位置)的拨弦就类似简谐振动,你越大力,那在竖直方向振动的幅度就越大,声音也就越大。

3、拨动琴弦的声音等于基音和多个泛音的叠加

以某个固定频率进行简谐振动所产生的声波称为纯音,但世界上并不存在绝对的纯音,比较靠近纯音的声音比如音叉。单独拨响吉他的一根琴弦所产生的声响并不是纯音,而是基音和谐音的几种不同频率的波组成的声音。

我们将一个标准的正弦波作为基准,称作基波。谐波就是比基波的频率高整数倍的波。吉他弹响一根弦或钢琴按下一个键都会在基波的基础上产生多个谐波,在音乐中我们把谐波称为“泛音”。

比如拨动吉他某根琴弦的纯音声波的频率是f,将此纯音作为基波,其谐波的频率可为2f、3f、4f、……,这些谐波分别称为二次谐波、三次谐波、四次谐波等。如图2所示:

那这个声音的实际声波叠加如下图,最上面是基波,依次向下为二次谐波、三次谐波等等。实际上,所有传统乐器所发出的音都是复合音,由振幅最大的基波和一些列振幅较小的谐波叠加构成。那么我们就可以给出单音的定义了:单音指单一乐器演奏独立的一个音发出的声波(谐波叠加),其基波的频率称为音高。不同乐器的单音所叠加的谐波在频率和振幅上都不相同,因此乐器的音色千差万别。

4、吉他泛音技巧的原理

我们经常在一些很厉害的吉他演奏视频上看到泛音,这是一种非常干净、空灵感的音色。但泛音背后的物理原理是什么呢?这个问题我也纠结了很久,今天想了一下,似乎找到了答案,和大家分享一下。从上面我们已经知道琴弦的声音是由基波和谐波叠加的复合音,而且基波、二次谐波、三次谐波的频率是依次递增的,如果我们想要二次谐波(一次泛音,高八度)的声音,其实只要把基波的产生的频率想办法消灭掉就可以了,在吉他上就是通过手指轻轻按压弦特定位置方式。

上图就是一次泛音产生的位置,对应吉他就是 12 品柱的位置。

上图就是四次谐波(高2个八度)产生的位置,对应吉他就是 5 品柱的位置,按照相同的原理,你试一下找找其他的泛音点?

5、坚强的吉他面板

吉他制造者们早就知道面板是吉他最重要的组成部分。事实上,一些非常好的原声吉他背板和侧板是塑料的,但是面板必须最好的木材来做。看来面单吉他性价比要比全单的高啊~

你知道要做一把好的原声吉他有多难吗?每根琴弦要承受数千克的拉力,而一把吉他通常有六根琴弦。想一想,7千克乘以6根琴弦,这是一袋混凝土的重量!现在想象一下把你心爱的吉他正面挂一袋混凝土看看? 所以吉他面板(有圆孔的那部分)必须非常坚固,能经受的住琴弦的拉力,同时还要十分薄而且轻,这样才能放大声音。通常选用古老的雪松或云杉来制作面板,因为这两种木材对重量的抗拉伸能力是最强的。

6、扩展阅读

[1] 正弦波:http://t.cn/ExWigsK

[2] 能量守恒定律:http://t.cn/ExW6JKv

工程技术和吉他: http://t.cn/ExW1eRo

写给理工科人看的乐理:http://t.cn/RQPSZ10

原声吉他内部的构造及发声:http://t.cn/ExWrXvX

文章内容为个人总结,难免有错漏,如果你有发现,欢迎给我留言。

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