1、钢琴制造艺术,福建农林大学材料工程学院 马世春 2012.1,概 论,当你聆听法国钢琴王子理查德克莱德曼独奏“献给爱丽丝”的钢琴曲时，你是否沉醉于那优雅甜美的乐曲中，是的，钢琴之所以能够演奏出优美动人的乐章，除了钢琴家的技艺外，那就是钢琴独特得艺术结构，本课主要讲述一部分钢琴的艺术结构及制造艺术。 钢琴是一件音乐艺术品，每一个小小的零件都闪烁着音乐、艺术之光芒。,欧洲古典音乐作为世界人类灿烂文化的珍贵部分，一直沐浴着世界民族之林。中华民族为发展和丰富自身的文明，不断地吸取世界各民族的文化精华。钢琴这称为音乐之王的乐器，已有近三百年的历史，一个多世纪以前已传入中国。大家都知道钢琴在音乐的殿堂占有
2、极其重要的地位，目前，中国钢琴的演奏水平并不绚色于世界的先进水平。但中国的钢琴生产水平及普及性就远远落后于世界的先进水平。首先，钢琴生产水平及钢琴音乐艺术是建立于先进的工业基础及高度的经济基础与高层次的文化背景上，中国三十年的改革开放，工业基础与经济基础的变化是巨大的，文化音乐事业、钢琴的生产量与普及性的发展也是巨大的。,“每一台产品都是一件音乐艺术品”，这就是钢琴制造艺术的精髓，大家都明白钢琴品质的基本要素是：优美的音质、高灵敏度、均匀一致的触感、音律的稳定性、久经耐用的使用寿命与精美亮丽的外观。优美良好的音质、音量、音色均称为发音结实持久，低音饱满浑厚有力、中音甜美清澈、高音清脆明亮，为达
3、到这一要求，二百多年来钢琴制造者在不断地探索与积累经验，这些均体现了钢琴制造的艺术。,钢琴的灵敏且富有生命力的触感，这是钢琴家要精确地用强弱快慢表现那音乐的神韵所必须具备的，包括气壮山河的强度，如幻如梦、蜻蜓点水的轻盈细微的弱音，有如万马疾奔、似串串如珠的快速，有如诗如歌地慢板诉说，这些都能得以挥洒自如得心应手地充分表达。这些也均体现了钢琴制造的艺术。,前 言,三角钢琴和立式钢琴通常总称为键盘乐器，但是，这一名称不能全部表达这类乐器的特征。现代乐器是根据音的构成和发音的方法作为乐器分类的原则。由绷紧的弦振动而发音的乐器，属于弦乐器类。 根据发音的方法，弦乐器可分为： 1.拨弦乐器用手指或薄片拨
4、动弦（竖琴、六弦琴、琵琶、月琴等） 2.弓弦乐器用琴弓摩擦使其拨动（小提琴、大提琴、二胡、京胡等） 3.击弦乐器用小槌击弦（洋琴） 4.击弦键盘乐器以键盘传动小槌击弦（立式钢琴和三角钢琴既属于此种） 由此说明，能表达立式钢琴和三角钢琴全部特征的名称是击弦键盘乐器。,钢琴发展简史,立式钢琴和三角钢琴的直接前身，是古钢琴和羽管键琴。这两种乐器都有横着绷紧的弦和键盘机械。古钢琴的琴键的后端有一个金属平头钉，为击弦用的。羽管键琴是在按下琴键时通过羽毛或有弹性的簧片拨动弦。这二种乐器在弹奏时，几乎不能改变音量，因而弹奏起来缺乏表现力。 （1）十八世纪初（1709年），意大利人克里斯托费（1655-173
5、1）是一位著名的羽管键琴制造者，他在羽管键琴上采用带有小槌的键盘机械，这小槌是木质的，用特制的麂皮紧裹在小槌上面，这样，弹奏时就能随意改变小槌的敲击力，从而可以改变音量。乐器发明者称它为“有强弱音的羽管键琴”。十九世纪初，钢琴已经代替了其它种类的键盘弦乐器了。,（2）1821年，法国人埃拉尔开始采用附加杠杆和簧条的方法，改进了三角钢琴键盘机械的结构，这样的机械被称为复震奏机械，它的优点是可以迅速地重复击弦，所以能在三角钢琴上弹奏比较复杂的乐器。（3）1825年，大约在同一时期，为了增加弦的张力，开始采用铸铁架。（4）1839年，采用毛毡代替麂皮紧裹的小槌。（5）1855年，出现了琴弦交叉排列的
6、钢琴。早在十九世纪上半期，就有三种形式的钢琴：（1）翼形卧式的（2）桌形卧式的（3）金字塔形竖式的。第（3）种形式的钢琴像直立的橱子，放置起来可以节省地面，后来就演变为立式钢琴了。到了十九世纪末，翼形卧式的钢琴演变为现代的三角钢琴。而桌形卧式的钢琴被淘汰了。,第一章 钢琴的一般结构,1.1 类别现代的击弦键盘乐器有两种形式，就是卧式的（三角钢琴）和竖式的（立式钢琴），根据这两种琴的尺寸大小，又可以分为几种规格。 A、三角钢琴基本上分为三种规格：（1）演奏会三角钢琴：长度从2.1M3.0M，为在演奏大厅、大剧院和广场上使用。（2）客厅三角钢琴：长度从1.6M2.0M，为在不大的演奏大厅和音乐学校
7、使用。（3）书室三角钢琴：长度从1.2M1.5M，为音乐家在家庭上使用。所有各种规格的三角钢琴音域是7 1/ 3组（88键），书室三角钢琴也有7组85键的（85键）。,B、立式钢琴按它的外壳高度，分为两种规格： （1）标准立式钢琴：高度从1.2米1.6米，音域有7组或7 1/ 3组，为家庭使用最普遍的一种。（2）缩小的立式钢琴（或小型立式钢琴）：高度从0.8米1.1米，击弦机的位置低于键盘，音域有7组或6组，为家庭及练习使用。三角钢琴和立式钢琴的用途很广，可以用来独奏，也可以在交响乐团里使用，可以为唱歌或其他乐器伴奏，在现代的乐器中，钢琴的音域几乎是最广的，并且，能够作多种多样的配合，图4是钢
8、琴和其它乐器音域的比较。,1.2 结构三角钢琴和立式钢琴的结构由六个基本部分组成，每一部分都有它的一定作用。这些基本部分由许多老机零件按顺序排列组成，各种型式不同的钢琴可能由不同的零件构成，但所有的三角钢琴和立式钢琴基本部分的作用都是相同的。钢琴的基本部分有：（1）弦列，（2）音板，（3）支架，（4）键盘机械，（5）踏瓣机械，（6）外壳。,1.3 弦列弦列的定义：是有规律地指排列起来绷在支架上的弦。钢琴的特点是：弦的振动频率和各该键的音名相符。一个键上的弦由一根、两根、三根或者更多的弦组成。像这样在同一键上的一组弦，叫做“同音弦组”。每一“同音弦组”中所有的频率总是相同的。弹奏者在弹奏时能够改
9、变音量和音色，但是，每个键上弦的音高是固定的。因此，弦列的作用：弦在受激发而振动时发出一定频率的音。 但是，单靠弦来发音是很轻微的，可以作一个简单的试验：把弦绷在沉重的支架上，,不带共鸣器，用手指拨弦或用槌击弦。由此发出的音很微弱，几乎一点也不像钢琴的声音。问题在于弦同空气的接触面不大。振动的弦在开始作波状的振动时，只能使它周围的一小部分空气进行运动。当气波传到我们的耳朵，就产生声音的感觉。由此可见，弦把它的能量传播到空气中去了。但是，由于它的接触面小，不能立即把大量的能量传播到空气中去，只能在相当长的时间内一点一点的传播出去，所以得到的声音是轻微的，而音的衰减延时较长。我们从钢琴里所听到的声
10、音，不是直接来自于弦的振动，而是从音板辐射出来的。,1.4音板根据音板的作用和结构原理，它像一片薄膜，是用一大片薄板做成的，四边结实地稳固在框架上，在若干点上与弦接触。振动着的弦迫使音板以同一频率振动。音板有很大的接触面，可以使大量的空气波动，这就是我们所听到的钢琴声音。这里弦的能量大部分是立即传播到空气中去，所以，结束得也比较快，得到的声音强而衰减得快。音板的作用：（1）音板有增强弦的音量。（2）还可以增润音色，音板工作起来像滤波器，所发出的声音具有悦耳音色的泛音。由此可见，钢琴的弦列和音板对于决定乐器音质有着重大的作用。,1.5 支架作用：支架用来牢靠地固定弦列和音板，使音准得到稳定，并使
11、之形成坚强的整体。支架通常由两个结实的架子所组成，一个是铸铁的，另一个是木材的。可以用下列各点来说明支架必须坚固的道理。普通立式钢琴或小型三角钢琴的总张力为15.5吨16吨，演奏会的三角钢琴达20吨以上。一个木质的支架，即使用粗厚的硬方木来做，要长期支撑住那些绷紧的弦，也是不够坚固的。早期的钢琴没有金属支架，经常可以看到这些钢琴的结构被破坏（弯曲），虽然那时钢琴弦的张力远比现代,钢琴小，然而在巨大的工作负荷下，木支架会逐渐变形走样，这种走样使弦的张力变乱，因而破坏了钢琴原来的结构。据计算证明，靠一个金属支架能够支持住弦的张力，可能不致变形，但是钢琴的重量增加了，价格也昂贵。此外，如果只用金属支
12、架，不用木支架，对于音板、外壳的侧板和其它零部件的固定，就发生了困难。因此，支架通常采用木质和金属的，两者结合而成。除了音板及弦以外，键盘机械和外壳零部件都要固定在支架上，这就要求它具有更大的坚固性。,1.6 键盘机械作用：键盘机械是用来激发弦有效地振动。钢琴弹奏者依靠键盘机械，可以随心所欲连续不断地弹出长、短、强、弱不同的音。钢琴键盘机械制造者还常把键盘机械就叫做键盘。他本身是一个杠杆系统，通过这个杠杆系统，手指的弹奏力由小槌传到弦，这个系统的一端是键，另一端是有弹性的小槌。对于键盘机械的要求很高，并且它的性能越好，乐器的作用也越大。例如：键盘机械的工作性能运用于小型立式钢琴的，就不适合于标
13、准钢琴，更不适合于三角钢琴。,对于键盘机械有哪些高要求？（1）灵敏性：键盘机械应该是很灵敏的，以便传达出弹奏者用力最细微的变化，它应该使小槌对弦的敲击力在很大的范围内能随意变化（从很轻到很强），应该能够在极快地连续击弦时发出每一个音，应该能够顺利地、精确而不断地工作。（2）力度的均衡性：键盘机械对手指力度的触感应该是均匀的，以便传达出弹奏者演奏情感的随意变化。（3）耐久性与耐侯性：键盘机械应该经得起时间与自然气候的考验，经久不衰，晴天雨天都能正常地工作。,1.7 踏瓣机械作用：能够在一定范围内改变音色和音量。踏瓣机械通常由两个踏瓣和一些拉杠组成。用来操纵键盘机械内的某些杠杆。它使弹奏者能够在一
14、定范围内改变音色和音量。右边的踏瓣用来抬起所有的制音器，使其它未受小槌敲击的弦起共鸣，从而改变整个音的特性。左边的踏瓣能够稍微减落音量，现也能改变音色，使乐器发音稍微轻弱。三角钢琴和较高的立式钢琴还装有第三个踏瓣，这位于其它二个踏瓣的中间，用它来抬起一条绒布，位于榔头与弦面之间，使声音变的很弱。,1.8 钢琴外壳作用：外壳不仅为了遮盖弦、音板和键盘机械，预防进去尘土而受损坏，而且也使乐器的外表华丽美观。除了这些作用外，还有机械的功用，就是固定键盘、踏瓣机械及整个钢琴能够安放在地面上。琴壳内部还起着类似共鸣的作用，就是能略微增强乐器的音量。通常对于琴壳外形的艺术装饰很重要，这是为了使室内装饰的美
15、化，使钢琴真正成为一件音乐艺术品。,第二章 弦 列,2.1 弦的工作 2.1.1 弦的振动 振动周期：弦在极端位置间振动的时间称为振动周期。 2.1.2 振动的状态 基音：整条弦以符合于它全长频率振动，我们从这一频率听到的音叫做基音。 a.基音（图画在黑板上） b.两段波腹、其长度各等于弦全长的一半，频率比基频高一倍。 c.高二倍（频率） d.高三倍（频率）比基频。 弦的全部振动是基频，但是从来也听不清此基音。,泛音：由于弦分段振动还或多或少增添了一些另外的音，叫做泛音。 谐音：把泛音频率之间的比例用整数来表示，那就是1：2：3：4等，这些叫做谐音。（第一泛音频率比基音高一倍称为第二谐音）第十
16、以上的谐音通常称为高次谐音。 2.1.3 音色 音色：音色就是音的色彩；决定音色的是各该音里所 含的谐音数和它们的强度。谐音的出现和它们的强度取决于许多因素，但主要在于激发弦振动的方式和位置。三角钢琴低音弦的谐音最丰富，有时甚至达到第41谐音。,中音区的谐音数通常不超过十个，而最高音弦不超过二个。通常在三角钢琴和立式钢琴内，从支撑物（弦枕）到击弦点最近部分的弦长同整条弦长的比为：l / L ，低音区是在 1 / 7到 1 / 9 的界限内，高音区是在 1 / 16到 1 / 35 的界限内，小槌击弦历时长短，对于音色有重大影响，高音区0.3豪秒（3 / 1000 秒），低音区3 豪秒（3 /
17、100 秒）。,2.1.4 音量音量：钢琴的音量由弦的振幅大小来决定，振幅大则音量大，反之则小。三角钢琴的音量强度在很大程度上决定于音板的性能。而在弦的方面决定于它的质量和张力，弦越长越粗重和张得越紧，就越能有力地振动音板，而于钢琴以更大的声功率。音量以分贝作为测量单位，音乐家使用的音量级（响度）是从最弱音（PPP）到最强音（fff）有7级，每进一级音量响一倍。,2.1.5 音的清晰度（音质）当泛音频率有相当大的偏差时，就从谐音发出不悦耳的“拍”音。就不能使高次谐音脱离理想的频率。当弦比较短和粗时，泛音的不和谐性就很显著，中音区和高音区就有这样的情况，所以，不得不把一根弦的能量分到两根或三根弦
18、上，使每根弦只负担部分的负荷。中、高音弦又不太粗，使声音的不和谐性不致对音质发生太大的影响。,2.1.6 发音的持久性 发音的持久性：钢琴发音（即弦的振幅）持续的时间长短。或者说：从弦的受激发后震动到完全停止所持续的时间称为发音的持久性。 钢琴发音的持久性基本上决定于弦的衰减率及音板的机械阻力。 衰减率：显示弦的振幅减小得快或慢。,2.1.7 音域和音律 音律：乐音体系中各个音的绝对准确高度及其相互关系称为音律。 音域：钢琴发音频率的区域范围称为音域。 钢琴音域的特征：最低音频率和最高音频率的量，从27赫兹（Hz）4000多赫兹（Hz），所有的音分为同样的组群，每组有12个音。这种音的划分称为
19、音乐的12平均律。,2.2 弦列的构造形式（简述） 2.2.1 弦中、高音弦采用高强度的特种圆钢丝，强度是200 kg/mm2260 kg/mm2 。三角钢琴的最高应力达175 kg/mm2 180 kg/mm2 ，加上安全系数（180 kg/mm2200 kg/mm2），特种圆钢丝要求表磨光，可以预防生锈。缠弦：低音弦用直径1.6mm的六角钢丝（现代中、低档的琴都用圆钢丝），外面缠12层紫铜丝，紫铜丝的直径从0.3mm1.8mm，缠弦时要求每一圈紫铜丝均要紧紧靠在一起，否则，将严重影响声音的质量。,2.2.2 弦的工作部分一根弦的工作部分不是整条，而是一根弦的一大部分，一端勾在弦勾钉上，通过
20、弦码直到弦枕与弦轴钉联接，弦轴钉的转动可以使弦张紧或放松。所以，弦的工作部分只是从弦枕到弦码这一部分。如图：,第三章 音 板,音板承受来自弦的振动而增强声音的辐射，按照音板的作用，它应该符合以下的要求：（1）音板应该能将振动的弦所得到的能量，大部分都传播到空气中去，而能量的损耗应很少。（2）从音板辐射出来的声音，应当具有优美悦耳的声音，有足够的响度和持久性，而没有那些变坏的泛音和错杂的音。（3）音板应该能够均匀地增强钢琴全音域所有频率声音的辐射。,由于声波在木材中传播的速度，在顺着年轮时和横越年轮时均有所不同，因此，从音板上可以感受到，通过弦马任何一点的发音振动，传到顺年轮方面要比横年轮方面去
21、更快，显然，使声波尽可能快地沿着整个音板传播，以及使整个音板迅速振动起来，这对于很好地发音是有利的。为了这个目的，在音板上横年轮方向粘着肋木，这样，来自弦马任何一点的声波传播路线如下：声波从激发点顺着弦马下面小板条的年轮传播；在遇到横越年轮的肋木时，声波也顺着肋木传播，随后就传播到整个音板。,制造音板的材料是针叶树材，通常称为共振材料，多半采用具备物理机械性质较高的云杉和高加索冷杉。根据外部的特征，共振材料应该年轮均匀且直，有细狭的年轮而没有节子和其它的缺点，时常可以在木材生长较慢而枝节很早枯痿的茂密林区中找到。德国专家深信生长在咯尔巴阡山茂密林区多石斜坡的云杉，是最好的共振材料；而英国的实际
22、经验认为云杉都能适用于制造音板。从粗视结构特征来看：木材必须有均匀的年轮，年轮之间的宽度在14mm以内，且年轮中的晚材应保持不超过宽度的30% 。立式钢琴的音板在1000mm1400mm的范围。三角钢琴的音板在1400mm2300mm的范围。音板的厚度在8mm11mm的范围内。,3.1 共鸣板（共振板）共鸣板主要包括有：（1）木框架、（2）铸铁板、（3）音板、（4）肋木、（5）弦马、（6）弦轴板。 3.1.1 木框架木框架由若干条纵、横的方木材所组成，其结构必须非常牢固，木材的含水率控制在6%8% ，木材无节无任何缺陷。,3.1.2 铸铁板铸铁板一般采用灰口铸铁，一次性浇铸而成，其灰口铸铁的代
23、号为：HT2040 ，应用于钢琴上的铸铁支架（板），其金属成分应该是均匀的，否则，钢琴在使用过程中，会使铸铁板的某些部位发生断裂或者发生弯曲，特别是在铸铁板的“筋”的位置部分。铸铁板一但发生上述的缺陷，就会使钢琴的声音发生改变，这样，音准的稳定性就被破坏了。如果再次调音，也无济于事，直至到钢琴生产公司更换才能彻底解决。 3.1.3 音板同上述一样。,3.1.4 肋木 肋木所用的材料同音板一样，均是云杉的径切板。肋木的外观对于不同型号的钢琴也有所不同。肋木的作用：肋木用来加强共鸣板（共振板）的硬度，并把声波传向音板的全部面积。立式钢琴上的肋木有11-12条；三角钢琴上的肋木有17条。 肋木固定在
24、音板上，其木纹总是与音板上木纹相互垂直。 3.1.5 弦马弦马的作用：用来把弦的振动所得到的能量传播给音板。在弦作交叉排列的钢琴内，通常安装有两个弦马，中、高音弦马和低音弦马，这两个弦马都是用硬木制作的，并作为弦的坚固支撑物，并且，当钉入销钉时不至于裂开。,3.1.6 弦轴板作用：弦轴板是保证钢琴结构和音准的稳定性。高要求：弦轴板用山毛榉或色木的多层板，厚度35mm左右，其木材材质要坚硬且有韧性，具有抗拉伸抗变形的特性，221根弦轴钉打（钉）在弦轴板内，在总共16吨左右的张力下，弦轴板不会被破坏（撕裂），而且紧紧地握紧弦轴钉、丝豪不松动，以确保音准的稳定性。弦轴板稳固在木支架上，木支架稳固在铸
25、铁支架上，在弦轴板上钻有221个小孔（88键），弦轴钉被挤压在弦轴板上221个小孔中。弦轴钉稳固在这块弦轴板上，弦就靠弦轴钉来张紧，如果在弦张力的影响下，弦轴钉即使只有稍微的一点松动或弯曲，钢琴的音准的稳定性就受到破坏。,第四章 钢琴用木材的种类,（1）键盘用材：椴木或东北松木（单层、三层），密度：0.5克/立方厘米左右（0.5g / cm3）。 （2）击弦机用材：色木。密度：0.6g / cm3-0.7g / cm3 。 （3）木支架用材：东北的各种松木（落叶松、红松、白松等）或各种硬木。 （4）音板、肋木用材：云杉径向板。 （5）弦轴板用材：山毛榉或色木多层胶合板。 （6）弦马用材：硬木与
26、山毛榉或色木多层胶合板相结合。 （7）外壳总成用材：硬木与各种人造板相结合。钢琴所有的木材均需经过人工干燥处理与稳定性处理，其木材的含水率在6%-8% 。特别是音板，在从板胚的拼板到半成品直至成品，均要在恒温恒湿的环境条件下存放，有条件的车间内要设有恒温恒湿的设备，音板（共鸣板）组装好后，要及时上透明油漆。,第五章 外壳总成的油漆,5.1 板胚 板胚由三合板、中密度纤维板或细木工板组合而成，组合时一般采用冷压处理，胶粘剂采用白乳胶。已胶合好的板胚在油漆之前，均要平整地放在木制的托盘上，不能直接放在地面上，避免因地面的潮湿使板胚受潮。油漆前板胚要经过宽带砂光机的定厚砂光处理后，再进行油漆。 5.2 油漆在规模的钢琴生产企业，要提高油漆的质量，均要有自动或半自动的淋漆机组，还要有一批有油漆专业实践经验的技术人员与操作人员。大体的工艺流程如下：板胚定厚砂光两面淋漆若干道漆层稳定后粗砂光细砂光抛光直到镜面。,
