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工程技术和吉他(第二部分)

在本系列文章中,我们将通过大家所熟悉的事物――原声吉他,来揭开一些工程术语的神秘面纱。

振幅

当讨论任何工程术语的时候,我们都要小心谨慎以确保涵义清晰准确。要成为一个好的观察者,这一点是必需的。例如,讨论振幅这个词。它可以指琴弦端到端偏离的距离(对于原声吉他,最大的振幅为几毫米),也可以指音量。

我们用振幅来表示音量,在这种情况下振幅也和琴弦的偏离有关。当琴弦移动时,琴弦使吉他面板依次运动(以原声吉他为例)。当面板随琴弦一起振动时,它引起吉他内部的空气柱运动,从而依次形成声压波,最后这些波到达我们的耳鼓。所以声音的振幅与拨弦的力度直接相关,但是如果拨弦力度太大,琴弦就会接触到指板,就会使波形严重改变并导致“蜂鸣”或声音剪切。
如果用一块又大又平的橡胶盖住音孔,抑制吉他里面的空气运动,进而阻止吉他面板弯曲,这样就会使振幅减小。对低频率的声音来说这种影响是很明显的。

建议:

找一个大的水池塞子,不是塞进水池排水口的那种,而是那种盖住整个排水口的平的塞子。用一个干净的塞子盖住吉他音孔。现在拨动低音“E”弦(最粗的那根)。当琴弦共鸣时,将塞子从音孔上移开。可以听出声音的区别。

振幅还和很多其他因素有关,如木材类型、面板音孔大小及音孔位置、琴弦类型和琴弦老化程度等。显然,这就是为什么只有空空的琴身和薄薄的面板的原声吉他与有实体琴身并且依靠电磁拾音器来探测全部琴弦偏移的电吉他弹所奏出的声音迥然不同。电吉他依靠电子扩音器,而原声吉他通过吉他面板运动并引起大量空气柱运动来扩音。

建议:

为了弄清楚吉他面板对声音的影响,我们在一个硬表面上敲击音叉并听其鸣响。现在再次敲击音叉,轻轻的握住音叉底部使其接触吉他面板。我们发现声音变大了,因为音叉不仅仅使音叉周围的空气振动――它还使吉他里面的全部空气柱振动。面板就好像是一个声学扩音器。

电吉他在这方面具有优势。对于原声吉他,它的整个声音系统都构建到吉他内部。但是电吉他的琴身是实体的,内部没有用来放大声音的空气柱。取而代之,电磁圈捕获琴弦振动并将振动发送到扩音器,在那里可以进行各种数字信号的转换。与原声吉他不同是,电吉他琴身的作用在这个系统中只占很小的一部分。

Engineering and the Guitar Part 2  Figure 1

图1.原声吉他是整个系统中最大的部分,而电吉他的传递功能仅仅是这个系统的一小部分而已。

有时候您会看到一个“带电的”古典吉他,它与“电”吉他大不相同。其中一部分原因是,原声古典吉他的琴弦不是金属的,还有就是它用的是声学拾音器,而不是电磁拾音器。

张力、拉力

您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。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。云杉木和松柏木比较适合做吉他面板,因为它们质地优良、纹理光滑,并且能承受很强的拉力。如果您听说过“National”牌吉他,您一定会马上意识到琴身材料对声音的影响。(“National”牌吉他的琴身全部是由钢做成的。)

当您用弦栓对吉他调音时,您用弦栓构建了一个“力臂”。您的手和手腕以“力偶”或转动力的形式在弦栓周围建立转矩——琴弦被拉长。您在对琴弦施加压力。为了知道琴弦上的张力有多大,我们在一根结实的壁橱柱上悬挂一根废弃的吉他琴弦,并在琴弦上挂一袋沙子。不断增加沙子直到弹动的琴弦接近其固有频率。然后用一个浴室秤测量沙子的重量。测出来的重量会让您大吃一惊。
如果我们将六根琴弦的拉力加在一起,我们就得出了吉他琴桥的全部受力。注意一些民谣吉他(有钢丝琴弦的原声吉他)不要在琴桥上端接琴弦。用枷锁绕延长绕过琴桥来拉吉他的侧板。这样就把多余的力量传到吉他上,琴桥仅用于将声学能量传递到吉他面板。除非一个几乎与吉他面板垂直的拉力矢量作用琴弦,否则琴桥不必承受琴弦的拉力。

压力和张力

与琴弦的长度有关的伸长量叫做张力,张力表示琴弦内部的压力。如果对某物体施加拉力(拉物体),物体会变长变薄。作为工程师,我们想要知道的是,我们拉琴弦时作用于琴弦的压力(力/单位面积)。但是由于我们不能进入到琴弦内部去测量它的压力,所以我们间接的去测量:测量琴弦的伸长率,希望它能直接与压力相关。

幸运的是,对大多数材料来说,在某个拉力范围内伸长率(张力)的百分比通过一个常数与压力相关。只要琴弦没有接近其断裂点,我们就可以测量伸长率并得到实际的琴弦内部压力。

调整琴弦后,由于拉力产生的压力导致琴弦变长变细,就像我们把手臂举到空中时我们的腰部的变化一样。因为这是一个很重要的现象,所以在拉伸的“腰”和放松的“腰”之间指定了一个比率作为系数。该系数称为泊松系数。

工程师通过“张力计”测量张力。(注意在张力的特殊场合下,机械工程师称它为“张力计”而不是“张力表”。)张力计通常只是在粘有被测样本的基底上的一个沉淀膜片电阻器。由于样本(飞机机翼,工字梁等)在拉力下拉伸,所以电阻器也是如此。电阻是一个长度除以截面积的函数,并且电阻器的长度随拉力增加而增加,截面积随拉力增加而变小,所以电阻随拉力增加而增加。测量电阻也就知道张力了。然后就可以根据测量的张力推算出压力。这虽然是个间接测量压力的方法,但是简单直接。这个过程中最难的部分是使张力计粘在金属上,只有这样才能在较长的时间内得到可靠的测量。为了能观察到,准备一个表面并将一个张力计粘到飞机机身上得花一整天的时间。

Engineering and the Guitar Part 2 Figure 2

图2.该张力计是一个电阻器,其额定电阻为100 ohms。随着张力计被拉伸,电阻增加。用欧姆表读取电阻器的值,该数值指示出被测样本的压力。

在“材料力学”的课程上会讲到压力理论。在这门课上会讲到一个概念,那就是“材料”,尤其是金属材料,在一个线性区域内,压力通过一个常数与张力相关。这个常数叫做“杨氏模量”,也就是下面曲线的斜率。

吉他琴弦传递其弹性极限,就像拉太妃糖一样。如果琴弦没有恢复其初始静止时的状态,则琴弦已被拉长了,必须重新进行调音。乐师想让琴弦在其线性区域内弹奏,这样在调整弦栓时,振动频率(音调)就会相应变高或变低。如果琴弦在可塑区域,就像新琴弦那样,则这个关系就是非线性的,也就是说,杨氏模量不再是常数。如果用力弹奏有新琴弦的吉他,琴弦被拉伸超过其线性区域,吉他就需要重新调音。

Engineering and the Guitar Part 2 Figure 3

图3.线性区域:琴弦拉伸,然后复原。可塑区域:琴弦永久拉伸;在听到低质量声音之前重新调整琴弦。损坏:琴弦崩断,音乐会散场,听众要求退票;乐迷离开,乐师的职业生涯结束。

压力分析

在航空器设计中,压力学习是必不可少的。想一想,为了实现不改变强度的同时减小重量,压力对于我们所要设计的航空器的每一部分是多么的重要。要实现这样的设计就要以压力分析作为科学依据。应用于机身的设计原理同样也可以用于吉他的设计。

如果您用牙科医生的镜子看吉他音箱的内部,就会看到各种精致的支撑,所有这些设计都是为了“最好的”声音的再现。制作吉他就像制作机身一样:为了让吉他面板有最大响应,支撑就必须最小,并且在不降低吉他的声音效果的条件下允许最大限度的能量传输。

观察

下次您拿着一把吉他或为它调音的时候,把压力考虑进去。为什么琴弦长时间承受压力会失调?温度对音调有哪些影响?为什么旧琴弦不如新琴弦“动听”?弹奏电吉他时,如果不用扩音器它能发出的声音有多大?为什么吉他手放置贵重吉他的时候要卸下琴弦上的拉力?如果电吉他的琴弦使用铜丝而不是钢丝会怎样?

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