对二胡皮膜振动以及不同几何形状结构二胡特点的论述
一、从物理振动理论角度分析:一般说理想的柔性膜与弦有类似的振动特点,它们都是受张力的作用,绷紧后才能产生弹性恢复力的振动,皮膜的振动可以看成是弦的面积扩展。琴弦在振动时,其自然谐波分音系列将与弦的基频同时产生共振,形成一系列分段振动。然而皮膜振动也有其固有谐波分音系列与其基频共振。由于皮膜振动属两维波动形式,因此皮膜振动中的波节就不像弦那样是一个“节点”,而形成一条“节线”。皮膜振动与其内在结构和几何形状有关,它的振动要比琴弦复杂的多。它在振动中具有两种波节特征。其频率表示为(fmn),m数值在圆形膜振动中表示有m个直径方向的节线;n数值表示为n个圆形节线。皮膜基频(f01),它的波节特点为圆膜周边为一个圆形节线,无径向节线。其基频振动公式为:f01=0.3827/a√ T/η
a:为圆形膜的半径,T:为张力,η:是面密度,它表明膜的半径越大则频率越低,绷得越紧则频率越高。
根据皮膜的振动特点,分析发现各次谐波分音与基频不再是整数倍关系,从而形成了一些极不和谐的分音。例如: f11=1.5933f01;f21=2.1355f01;f02=2.2954f01;f31=2.6531f01;f12=2.9173f01;f03=3.5985f01…。
二、由于二胡的筒口几何形状不一,皮膜也将有不同的特点,形成与琴筒口相同的几何形状的振动特点。
在现有的二胡琴筒截面几何形状中,常用的有圆形、正六角形、正八角形、椭圆形以及扁八角形等。根据二胡的演变历史以及各种几何形状的二胡的演奏效果,通过艺术实践认为正六角形琴筒二胡的音色较完美,音量也较为适中。
因为根据声波辐射球面辐射原理,如果正六角形皮膜的四周张力均匀,厚度统一。当马子将琴弦振动声波传递到皮膜上时,皮膜将产生受迫振动,把声波向四周按球面扩散辐射出去。由于六角形是在圆形基础上的正多边形,在皮膜振动初始传播时,也具有与圆形膜相似的特点,仅当声波入射到筒口边界再反射回来时,两者才出现不同的反射特征。从而会产生同一相等面积,同一相等固有频率,同一相等质量情况下的并不相同的声学(共鸣)特征。
一般讲皮膜形状越接近圆,其实际振动面积、振幅就越大,声音具有宽广、松驰的特点。但也存在空洞、噪杂的弱点。然而六角形的几何形状又具有圆形的基础,又区别于圆形边界状态较大。当声波通过皮膜振动辐射传播到六角的边界角落时,将产生比八角、十角皮膜大的多的抑制皮膜高次谐波的能力,对皮膜振动起到一定的滤波作用。从而体现了六角形二胡音量适中,音色纯美,富有韵味的声音特点。
三、扁筒(扁八角形、椭圆形)二胡的皮膜振动特点是建立在矩(长方)形膜振动基础下的,具有长、短轴的几何特征。由于在膜振动中形成长、短轴面的振动模式,其分段及自然谐波分音系列比圆形膜丰富的多。加之琴筒短轴为琴杆装配处,从而降低了二胡演奏中的琴弦摩擦点(码子到琴筒上口边的距离),增强了琴弦振动的高次泛音的产生,使二胡第三、四把位的高音区音质、音量有所提高。具有声音丰富,发音通顺,演奏力度对比大(音量大),下把高音区明显比六角形二胡声音明亮以及穿透力好。但从音色上对比,不如六角形二胡圆润、柔美。
二胡振动发音中的力学特点和一些问题的解决办法
一、二胡演奏时产生的机械振动主要是琴弦受琴弓推拉摩擦后激振所至。当琴弦振动通过琴码传递到皮膜后产生皮膜的一定共振,再推动琴筒空气柱振动,并迅速形成二胡琴体的整体振动。将二胡的声音传播出去。
在一系列的振动中,琴弦是通过一定的张力,由琴码的高低以及形成的弦压角度的大小,给二胡皮膜施加了一定的压力。通过理论计算得出:
1、 二胡的两根琴弦的总张力:10.2公斤;(有效弦长为:40厘米,内弦张力略大于外弦)
2、 如果采用8毫米高的琴码,琴弦压力夹角的角度:168—170度左右;
3、 琴弦通过琴码对皮膜的总压力约:1.77—2.30公斤。(不包括调音垫微量压力)
一般讲二胡在振动中,皮膜是由张力和一定厚度(密度)以及抗张强度的大小所产生的一定内力来承受弦压的受迫振动。虽然内力是随着外力的加大而增加的,但是对于不同的材料内力的增加是有一定限度的,超过极限物体就无法承受外力的作用。由于皮膜与其它材料都具有一定弹性极限,所以当琴弦通过琴码对它产生的压力过大或过小时,会直接影响皮膜的弹性振动中的恢复能力。
在实验中发现:二胡皮膜的合理张力一定要与弦压配合得当。即:压力与张力所产生的作用力和反作用力力求基本平衡。这样一旦琴弦受激振动后,由琴码传递到皮膜时,才能产生灵敏的振动反应。从而有利于二胡的声音效果。
假如皮膜张力太小,弦压过大时,皮膜的反作用力及弹性恢复力将明显降低,振动将有抑制之感。反之,张力太大,皮膜反作用力偏强,容易造成机械阻抗过大,会出现皮膜振动均匀性差的效果,声音僵死。
从力学角度分析:二胡振动好坏,关键在于皮膜的适度张力与琴弦通过琴码给皮膜的一定压力要协调。
二、在二胡演奏中由于气候以及制造原因,经常会出现两种比较突出的问题。
1、二胡皮膜偏松;又因气候潮湿影响,皮膜湿软。声音:闷、空。
2、由于新琴或气候干燥原因,皮膜张力偏紧,质感偏硬,声音:干、噪、尖、亮。
对于以上两种情况,最简单的方法就是可以通过调节琴码来解决问题:
针对第一种情况:可以更换底面较小,底盘偏薄,高度略高,木质较硬的琴码。采用未经处理的色木或枫木琴码为好。
对第二种情况可以采用底面略大,底盘偏厚,高度适中,木质偏软的琴码。油煎码或硬质油松码为好。
一般说琴码的木质较硬,底面较小偏薄,可以增大琴弦通过码子传递到皮膜的声音速度,并减少对皮膜面积的抑制,改善闷、空的声音不足。
反之琴码的材质较软,底面较大偏厚,可以减缓声音传播速度,加大对皮膜面积的压制,调节干、噪、尖、亮的声音弊病。
另外制音垫的材料以及大小、厚薄可以根据自己对声音追求而定。
三、二胡皮膜在长期使用后具有材料力学中的疲劳现象。由于皮膜长期受弦压以及机械振动的影响,并在拉、推弓和演奏揿弦力度的不断动态荷载下,皮膜内纤维组织的抗张强度将会逐渐衰减。特别是琴码底部的皮膜部分纤维伸张最大,所以强度衰减也最大,往往容易产生永久变形,降低了皮膜一定的弹性恢复能力。表现为二胡皮膜中央处纤维组织逐渐松弛,缺乏弹性。因为长期受压和机械振动冲击的作用下,中央处皮膜四周伸张较大,造成中部的皮膜厚度有一定变化,形成中薄,周厚的状况,增加了二胡皮膜振动中的辐射阻尼,使二胡皮膜振动传播趋于不均衡,声音空乏,无力。 这种情况建议重新换蒙新皮为好。
二胡专业制作课程
根据我当年从事民族乐器二胡专业制作职业高中老师的经历记载,主要教授的课程:
1、制作工艺
2、二胡演奏基础
3、中国民族音乐史及民族乐器史
4、音乐声学基础
5、木材学基础
6、材料力学基础
7、乐器用皮膜等材料知识
8、乐器木工加工机械原理以及操作规程等
9、乐器常用手工工具的使用和调理等
共三年,两年理论学习,一年生产实习。