钢琴调律中弦轴与琴弦的受力关系分析
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作者:胡倩如
[摘要]从琴弦、弦轴以及琴弦与弦轴的关系入手，通过对调律运扳过程中弦轴和琴弦的受力分析，提出有效指导意见，达到提高调律精准程度以及音准稳定的目的。
[关键词]钢琴;调律;弦轴特性;琴弦张力;琴弦弹性;运扳方法
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.07.014
钢琴调律过程中离不开两个本体，一个是琴弦，另一个是弦轴。钢琴调律师通过将调律扳手套在弦轴上，转动弦轴改变琴弦的张力，来达到调律的目的。然而，钢琴调律又比其他乐器的调律复杂。因为琴弦并不是只用两个端点张挂，而是通过不同支点将其分为五个部分。每个部分虽不是都与发音相关，但每一部分的张力都与调律时的难易程度以及调律后的音准稳定性密切相关。
1钢琴琴弦张挂力学分析
1.1琴弦张挂结构分析
钢琴琴弦的两端支点分别为弦轴和挂弦钉（图1）。在琴弦的张挂过程中，琴弦自上而下分别被压弦条、弦枕、上下码钉分为五个部分。正因为有了这几个节点，琴弦在振动时，分为发音的有效振动部分以及不参与发音的无效振动部分。
有效振动部分是随着有效弦长的不同，发出不同频率的声音。钢琴有效振动部分止于弦枕和弦码上码钉，为了获得更好的音色以及防止杂音的出现，要尽量避免无效振动伴随有效部分一起振动。
虽然无效弦长不参与发音，但为了使有效琴弦的音高保持稳定，它必须承载张力的平衡。当整根琴弦被拉伸或壓缩时，琴弦将依次通过这几个节点，在这些节点上需要克服摩擦力，才能达到张力的统一和平衡。
1.2钢琴琴弦物理属性
钢琴琴弦分为裸弦与缠弦。裸弦为高碳钢材质，经铅浴淬火后冷拉而成，也称为“冷拔钢丝”。缠弦为高碳钢外缠绕一层到两层的铜丝。一层缠弦，是在裸弦上缠绕一层经过防锈处理的紫铜丝制成;两层缠弦，是在一层缠弦的基础上，再缠绕一层紫铜丝制成，其主要目的是为了用较短的琴弦获得较低的频率。
琴弦被弦槌敲击振动发音，主要的振动方式是横振动，即振动方向与琴弦张挂方向垂直的振动。但伴随着横振动，还有一种振动方式是纵振动，它是和琴弦的张挂方向平行的一种振动形式。在纵振动的影响下，琴弦被敲击振动发音，使琴弦和弦枕以及琴弦和上码钉在振动中产生相对运动，即摩擦。弦的年限和腐蚀都会使支撑点上存在摩擦力。琴弦的一端被弦轴从几个支点拉起，这些支点均有摩擦力存在，在不同的弦段之间产生不平衡的张力，使每一段琴弦的张力一致不太可能。在支撑点上不均匀、不稳定的张力，会影响调律的稳定性。为了整根琴弦张力的平衡和稳定，必须使挂弦处的几个节点克服摩擦力。
2运扳方法概述
2.1一般运扳方法和要求
通常要求初学者将音拉高，并超过目标音高，同时确认弦轴在弦轴板里转动。然后，回转弦轴至纯点后重击该琴弦，当目标音音高达到弦轴设置的位置附近时，重击确认纯点。但是，在弦轴过紧时，这种操作方法不见得奏效。当弦轴很紧时，拉紧琴弦并感到弦轴转动，此时猛拉会导致声音过高，往下降低音感到弦轴转动后，其音又容易调到目标音高之下。这样反复寻找纯点位置，既浪费时间，又降低音准稳定性。
值得推荐的方法是，欲提高琴弦张力时，先将音高降低至纯点以下有些远的位置，这样第一下运扳不会直接拉到纯点过高的位置，同时感受弦轴在弦轴板里转动量。如果不是非常紧的弦轴，可以将注意力放在低于纯点至纯点处，仔细听辨纯点位置，不能拉过纯点过远，听到有拍音即可。在退扳至即将到达纯点时，稳定住扳手的同时重击琴键，此时若还有拍音，轻轻转动扳手退扳到纯点位置，最后重击琴键确认已到达纯点无拍音。
2.2微调的方法和要求
当调同度时，常会出现一种现象，已经非常接近纯点，但是还能听到有一点波动感。这就要求掌握微调技术，使被调的这根弦调到比参照弦低两拍。当弦轴非常紧时，转动弦轴会一下调到比纯点高得多的位置上，施加一个稳定向上的力，这时扭转弦轴同时重击琴键，直到该琴弦过了纯点出现拍音。将弦轴控制在这个位置上，继续重击琴键，停止给扳手施加的力，从而放松扭力，敲击琴键，此时的琴弦正好在理想的纯点位置。如果还没到纯点，用扳手施加适度向下的扭转力，并敲击琴键，直到纯点。最终，弦轴的中心线通过扳手的微小但明确的顺时针方向扭转或逆时针方向的扭转，在往复转动中达到统一。
3调律时弦轴扭矩分析
扭矩是使物体发生转动的一种特殊的力矩。在物理学里，力矩是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向。当弦轴的扭矩一致时，以纯点为中心，既不太高也不太低，调律比较容易。但是，如何获得这种一致的扭矩呢}除了弦轴板材质的选择、适合的钻孔和钻孔技术外，弦轴、弦轴与弦轴孔的配合、弦轴和琴弦的关系也值得关注。
3.1弦轴的挠性
弦轴的材质是优质碳素钢，有良好的弹性，属于弹性体。弹性体的特性是除去外力后能恢复原状的材料，有的弹性材料在外力作用下可伸长至原长的两倍以上。但是，如果过分拉伸或是弯曲碳素钢，是无法恢复到原始位置的，会发生变形。施加的力可能是一种弯曲力、拉伸力、扭转力。另一种为塑性体，即去除施加力不能恢复原状的，如铅。将铅拉伸后，只能保持拉伸后的形态。
弦轴在弦轴板中的扭力，通常不足以让弦轴发生塑性形变。但一个普遍的错误观点认为，它的塑性大于弹性，即向一个方向施加扭力，但不足以使弦轴在弦轴板里转动时，需要向相反方向施加扭力，才能使弦轴恢复到原来的位置。实际情况是，由于碳素钢的弹性大，不需要向相反方向施加扭力，弦轴会自己调整到原来的位置。弦轴本身也会“矫枉过正”，经历瞬时的旋转振动，最终在起点停止。
其中，弦轴自身的设计尺寸也值得注意。在标准尺寸上，将弦轴顶部的直径增加0.05mm。这一点变化在密度较大的弦轴板中能够被调律师感知，以至于调律时会感到非常困难。弦轴孔里的摩擦力，让弦轴能够抵抗来自琴弦的拉力，也使弦轴可以在一段时间内保持一个扭转的状态。如果除了琴弦拉力还存在其他的扭力，弦轴没有足够的摩擦力抵抗这些力，这时弦轴钉就会不太稳定。 3.2弦轴与弦轴孔及琴弦的配合
首先，明晰两种运扳方法。扳手转动弦轴，指的是整个弦轴已经移动，它在弦轴板中移动或者有咔咔声的这种感觉是明显的;扳手扭转弦轴，指的是弦轴沿着轴线弯曲，但在弦轴板里没有明显的转动。
其次，弦的张力从弦轴到挂弦钉处每段是不一致的。重击琴键能够使琴弦张力平衡，张力不会向上或向下延伸，琴弦能够稳定住。然而，这并不意味着各个部分的张力是相同的。以微调技术为例，先将目标弦调到比参照弦低两拍。施加一个稳定向上的力，这时扭转弦轴，同时重击琴键，一直到该弦过了纯点出现拍音;将弦轴控制在这个位置上，继续重击琴键，此时琴弦处于平衡状态，而弦轴一直存在扭力;接着，停止给扳手施加力，敲击琴键，此时，琴弦正好处在理想的纯点位置。如果还没到纯点，用扳手施加适度向下的扭转力并敲击琴键，直到纯点。需要注意的是，重击琴键是关键，弦轴用来改变琴弦的张力和音高，但是，由于在不同点上的摩擦力，需要重击琴键来使琴弦张力越过这些点而达到张力统一。所以，为了调律后的音准稳定性，必须同时关注弦轴的平衡位置以及琴弦每段张力的平衡。
3.3琴弦的弹性和弦轴到弦枕的距离
弦轴的扭转和支撑点的摩擦力，常被看作是影响调律稳定的最重要的两个因素。其实，第三个因素也很重要，即琴弦的弹陛，尤其是从弦轴到弦枕这段琴弦的弹陛。琴弦在弦轴到弦枕这段距离中有很大的延伸，不受有效弦长部分张力的影响。当弦轴转动时，包括弦轴的扭转，都不会使有效弦长的发音发生变化。对于调律的稳定，这可能比弦轴的扭转和支撑点上的摩擦力更难让人把握。
琴弦的弹性，应该被认为是每个单位长度的一定量的可延性。琴弦有不同的总长度，尽管它们的有效长度和张力一致，但整根琴弦的弹性是不一样的。因此，它们对气候变化和弦轴转动的响应也会不同。例如，因为气候变化，一架完成调律的钢琴的高音部分出现跑律，会有一个统一的偏差模式，即所有的右弦或左弦有相同的偏差量。這是因为左弦和右弦整根琴弦的弹性不同，使琴弦对弦码上升或者下沉的反应不同。这里，特别关注的是弦轴到弦枕这段琴弦的弹性。这段弦越长，弹性系数越大，弦轴的运动越不受音高变化的影响。也就是说，弦轴的转动和音高变化之间的相关性越小，调律师就越不容易调纯。这是因为弦轴到弦枕的这段琴弦越长，琴弦在弦枕处受到摩擦力的影响以及和下端有效弦长部分的琴弦越分离，琴弦越不容易被调律扳手响应。
不同的钢琴设计中，弦轴位置有所不同，有些弦轴到弦枕这段弦长距离长，有些则很短。压弦条、弦钮等支撑系统的设计也有所不同。观察发现，弦轴到弦枕的不同长度带来的不同响应会非常明显。无论是三角钢琴还是立式钢琴，低音部分调律是最容易的。这个区域弦轴到弦枕的距离按比例是最短的，整根琴弦的弹性是最大的。三角钢琴弦轴到弦枕的距离通常比立式钢琴长，支撑点上的摩擦力也比立式钢琴大，所以三角钢琴更难调律。
4结语
钢琴调律技术的精准程度，不仅依靠调律师日复一日的严格训练，还需要从钢琴结构入手，了解钢琴琴弦、弦轴的特性以及两者之间的关系，并用于指导调律操作手法，从而提高钢琴调律的精准性以及调律后的音准稳定性。
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