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今天我们来聊聊拨弦乐器立的关键部位琴 [复制链接]

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原声拨弦乐器看似结构十分简单,所有的部件也没多少,为什么会有如此大的声音差异,到底这些不同的构件是如何影响一把乐器的声音表现的?我们就以原声吉他为例,带大家了解原声吉他中的各组成部分,用科学的方法来揭开乐器音色不可名状的面纱,今天我们的话题是——琴桥(Bridge).

吉他的琴桥的作用通常容易被大家忽视。其实通过声学分析,我们知道琴桥是影响吉他音色非常重要的一个因素。由于我自己是学材料工程出身的,我们团队只涉及过木材和CFRP材料,此文章就仅用这两个材料作为例子来着重阐述材料对于琴桥的影响。

琴桥▼

在此之前,我们先来分析下吉他发声的流程。

当拨动吉他的琴弦时,琴弦开始振动,这是所有能量的输入源头。当你拨动单一的一根弦的时候,并非只有一个声波被激发出来。每根弦会产生基频(每根弦定音的那个音就是基频)以及这根弦的一系列泛音,泛音列理论上是无数的,每一阶的音量逐次递减直到被琴弦阻尼削减殆尽。我们实际可以听见的泛音大概有十几个,这些琴弦产生的所有基频以及泛音就是输入信号。

琴弦的振动通过琴桥传递给面板(这里暂时先不具体说琴桥本身),面板有不同的设计(面积,面板厚度,弧度,轮廓形状,渐变厚度等等),面板的音梁又有更多不同的种类和形式。

(夹带私货~这是我们自己设计的ALFAONE尤克里里音梁结构~)

搞这么复杂,其实就是为了把输入进来的频率信号,做一个调整后再输出,而不是原原本本的按照输入进来的频谱直接放大,这里的面板其实起到的就是一个EQ效果器的作用,他对原始的声音有了一个润色和加工的效果。

如果同样的有效弦长,使用一样的琴弦,按理说输入信号都是一样的,那么不同的吉他发出不一样的声音,其实就是因为EQ不一样,不同的吉他就是不同的效果器,他们对频率的调整不同,所以出来的声音不一样。所以你买不同的吉他,和买不同的效果器是一个道理。

再说回到琴桥,在上述的这个过程中,琴桥到底起了一个什么作用呢?其实很简单,就是一个振动能量(也就是音频信号)传递的作用。他的任务,就是尽量有效率的把尽可能完整的信号传递给面板。

从效率来看,吉他系统本身是一个机械能转化为声音的系统,这个系统的转化效率大概是5%~20%,能量大部分都在材料内部阻抗/传递上损失上了。

声音信号衰减示意图

所以在每一个部件的设计和制作,尤其是一些关键的振动传导环节,高效率就非常关键了。假如一把琴桥传递振动能量的效率很低,比如只把琴弦振动的30%传到了面板,那么进入面板的能量就很小,就算这把琴的面板和音梁,甚至整个琴体做的都特别棒,也难以发出足够优秀的声音。相反,如果琴桥传导效率高,能达到把琴弦80%的能量都输入给面板,那接下来我们才有可能更好的利用这些振动。

而影响声音,或者说振动传播效率的因素多半在于材质。声音从琴弦传播到琴桥再从琴桥传递到面板,面板又传递到侧板以及底板,这一系列的过程收到非常多的因素影响。

再说频率的完整性,不同频率的振动能量大小是有很大区别的,越是高频,本身能量就小,极容易损耗。本来琴弦的振动的信号是%的频谱范围,然后琴桥看某些频段不顺眼,不让通过,结果面板只能处理被阉割过的信号,那么声音也一定好不了。所以一个琴桥的好坏,很大程度上取决于其对高频声波的响应程度。

如果琴桥的设计和制作有问题,那么就会造成巧妇难为无米之炊的局面,面板这个好媳妇做饭再好吃,她也得有米下锅才行。所以说琴桥是一把吉他的指挥官,他决定了琴弦发出的振动有多少(效率)和多宽的频谱(完整性)能继续传递到面板。如果琴桥不够好,其他部分做的再完美也于事无补,就好比一台法拉利给装上了一个夏利的变速箱,纵使你有强大的动力和优秀的底盘,也不能愉快的玩耍。

一款优秀的琴桥,绝不是独立存在的,他一定是结合了一把琴的特点和目标,有针对性的做出过优化的,而且不论是设计还是制作,都有很多细节需要把握,我们一一了解下。

首先是材料:就着重讲一讲这一块吧

琴桥材料的选择,首先要考虑就是它的声音特性。首选响应特性好的。在琴桥材料这个特定情况下,响应特性好是指容易振动,敲击音发声快速,延音长,给点能量就振啊振的。同时高频的延展要宽,材料敲击时的高频越多,那么琴弦振动的高频信号就越容易通过。从传统材料种类来讲,巴玫,马达的响应特性明显好于乌木,鸡翅木也不错,印玫稍好于乌木。

传统的琴桥材料

从声学和振动学角度分析,琴桥材料的声学性能取决于材料本身的物理性质。影响比较大的参数有:材料的硬度、弹性模量以及材料的密度。理论上,密度越小、硬度越大、模量越大的材料声音的阻抗越小,也就越能完整的传递声波。而且,还有一个非常明显的影响因素,就是琴桥与面板的材料差异以及连接处的胶黏材料。

记得我在大学学习材料学的时候,老师曾经给我说过一句他在留学时听他的老师说的话:“上帝带来材料,魔*带来界面”。什么意思呢?就是说材料的界面往往就会带来缺陷,在声学材料的领域里,这句话同样适用。通常琴桥是通过胶粘的方式与面板结合的,声波的传递会经历琴弦到琴桥、琴桥到胶粘介质、胶粘介质到面板这三个界面,由于胶粘介质非常薄,所以我们可以把这个过程简化为琴弦到琴桥、琴桥到面板两个界面。

声波穿过界面时的频谱

界面之间物质的差别越大,界面也就越明显,声波所穿过界面受到的折射、散射损耗也就越大。类比光波在不同介质中传播的折射、散射现象,机械波也是如此,而折射反射越大,损耗也就越严重,所以琴桥的质地越接近面板,就是越好的。

其实从科学上来说,木头本身并不是一个非常优良的声学材料,木头虽然密度较小,但是其硬度和模量都并不理想。

说到比强度和比模量,如果你是和我一样对材料科学有所了解的话,你肯定会联想到一个新兴材料:CFRP(碳纤维复合材料)

以下内容摘自南京航空航天大学wangwei硕士的论文

以及知乎上机械工程大佬

宁静致远的回答

根据这些理论,我和我的团队也在国内首次尝试运用了CFRP试做琴桥和面板,并运用一次成型的工艺,在材料和界面上解决了声学传导的效率问题。就声学振动分析的结果而言,效果还不错。

这是我们自己设计的琴桥

不同的材料还会影响琴桥的耐久度:琴桥的寿命算是蛮长的,如果没有开裂等意外,基本可以一直使用下去,玫瑰木的琴桥会磨损的快一些,在一些开槽/孔洞的地方,几十年下来基本都会磨损的很严重,相对而言乌木耐久度就好很多,上面提到的CFRP材料也又有非常好的机械性能,一般引起CFRP材料损坏的一般不会是磨损或者损坏,而是长年暴露在空气中引起的“*化”现象,通常使用寿命是比较长久的。

*化现象

传统木材影响耐久的因素之一纹路:琴桥的稳定性非常重要,要保证长久的稳定不变形,如果是木材,则必须使用径切的材料,而且木纹越笔直越好。如果非径切的琴桥材料,或者干燥的不理想,那么一定会产生形变,造成开胶,开裂等现象。

CFRP也存在各项异性,不过作为琴桥的在力学性能上几乎没有影响。

此外除了材料以外,影响琴桥性能的因素还有重量:琴桥的重量要适中,过重或者过轻都有不良影响,这个要根据一把琴的整体设计来确定,吉他行业的巨头马丁,在这个问题上就研究必较深刻。马丁在二战前,琴桥后部的倒角是从6个孔位处开始削减木料,后来琴的整体设计加重了,为了使琴桥重量增加一些来匹配面板重量,于是琴桥同样的倒角是从更后面开始,同时以前的两翼更薄一些,后来的琴桥两翼要厚了一倍

30s马丁琴桥

40s马丁琴桥

削减重量

还有位置:琴桥要落座于整个面板的声学中心,这样才能最大效率的激发整个面板的振动,最中间的位置振幅大频率低产生低频,靠近边缘振幅小频率高产生高频,在中心才能同时有效激发所有区域的振动。

比如上面我贴出来的这个琴桥,位置就架在两个音量的上面以及下半部主要共鸣腔的声学中心。

以上就是我所了解的有关琴桥的基础知识啦~~如果有感兴趣的欢迎与我交流啊~~

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