【科學原理】為什麼樂器偏愛金屬材質？

常言道：“鐘聲鏗、石聲罄、絲聲哀、竹聲濫”。不同材質的樂器能演奏出不同的音色和情感。一般樂器是由振動體、傳導體、共鳴體、支撐體和附件等部分組成。樂器中的各個部件所使用材料的效能不僅決定了樂器的音量、音質、音色，而且對樂器的音調和穩定性也有著重要的影響。

在中國古代，最典型的金屬樂器要數編鐘。“八音金為首，金類鍾為先”，蜚聲中外的編鐘是由青銅製成的。據《考工記》記載並經後人考究的史料顯示，編鐘的金屬材質中，銅含量約為85。71%，錫含量約為14。29%。我國出土的“曾侯乙編鐘”經檢測發現，其銅含量為77。54至85。08%，錫含量為12。49%至14。46%。

現代樂器中，被稱為“樂器之王”的鋼琴也有很多部件使用了金屬材料。支架作為鋼琴的中心框架，也是鋼琴的共鳴盤，需要承載全部琴絃的張力，因此主要由鑄鐵製成。鑄鐵支架具有極高的耐力且質量穩定，能承載鋼琴全部琴絃約20噸的拉力，同時保證了琴體結構不變形。琴絃是鋼琴發音的振動體，採用的是“樂器鋼絲”，和普通的“琴絃鋼絲”不同，是一種含碳量為0。9%的高碳鋼絲。鋼琴中每一根琴絃都有其獨特的長度和粗細程度，鋼絲越短越細，振動頻率就越高，發出的是高音， 而鋼絲越長越粗，振動頻率就越低，發出的是低音。由此可知，每一根鋼絲對應著一個音高。高音區和中音區的琴絃為“裸弦”，即一根具有高強度、高韌性的特殊鋼絲。低音區的琴絃則是“纏弦”，即在鋼絲的外面纏繞細銅絲，附加給主體鋼絲額外的質量，以達到良好的低音效果。鋼琴的品質與琴絃的質量息息相關，不僅要求琴絃具備良好的延展性和韌性，而且要保持潔淨，才能使聲音的振動更為準確，音色更好。將琴絃與支架緊扣的調音釘是一種用特質扳手扭動旋轉的釘狀螺栓，其旋床是有鎖口的特製高碳鋼，能讓琴絃牢固地繞在絃軸釘上，並在琴絃高強度拉力作用下使音準長期保持穩定。

銅管樂器和木管樂器統稱為管樂器。銅管樂器的主要材質為金屬，一些木管樂器的部分部件也使用了金屬材料。金屬管樂器一般採用黃銅、紅黃銅、白銅等金屬材料，這些金屬材料製成的樂器品質較為出色，一是聲音不易衰減，發出的樂音悠揚悅耳；二是耐鏽蝕性較好，能夠保持樂器外形鮮亮。金屬的結構與材質對金屬管樂器也有著重要影響：首先，金屬材料製成的結構部件形成了“管腔”，聲音在管腔中形成、反射、共振和發射；其次，金屬本身的材質直接決定了樂器的音色和音量。

由此可見，金屬不僅造就了樂器優美堅固的外形，也賦予了樂器悠揚動人的聲音。兩種魅力的結合，成就了樂器在藝術上的價值。

本文由北京市海淀區教師進修學校附屬實驗學校中學一級教師牟丹進行科學性把關。

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