小提琴聲音音色音質變化與演變

幾個世紀以來，弦樂器製造商一直在努力追求聖杯——完美的聲音。在尋找一種能夠與管弦樂團相媲美的理想樂器的過程中，小提琴製作者們嘗試了輕質和重質的木材、寬和窄的琴面、長和短的琴頸、多種尺寸和材料的拉弦板、琴橋和琴弦，以及無數的清漆配方。 。樂器設計上最微小的改變都會使聲音變得更細或更暗、更安靜或更甜美。即使願意分享他們的技術，小提琴製作者自己也沒有意識到設計的改變到底如何改變樂器的聲音，因此透過大量的試驗和錯誤達到了新的聲音高度。

麻省理工學院機械工程系的一項新研究調查了樂器發聲的流體動力學和力學。該論文對小提琴聲音如何隨著時間的推移而得到顯著改善這一長期爭論的問題提出了答案。小提琴透過其琴面兩側的兩個孔發出聲音。這些所謂的「F 孔」形狀像拉長的字母F，構成了琴馬上方琴弓與琴弦交叉的區域。自17 世紀以來，優雅的漩渦一直是小提琴表面的標誌，當時小提琴是在偉大的克雷莫納小提琴製作師阿瑪蒂、斯特拉迪瓦里和瓜內裡的工作室中雕刻的。人們普遍認為，與任何其他形狀的切口相比，F 形孔可以產生最大、最豐富、最細緻的聲音。

麻省理工學院的研究團隊試圖找出為什麼這種特殊的幾何形狀在聲音產生的力學方面比其他幾何形狀更神聖。透過測量不同年代的許多樂器的音孔，他們發現聲功率隨著切口週長的增加而增加。換句話說，切口的表面積並不起關鍵作用。相反，決定聲音強度的因素是孔邊緣的長度。

現代的f形就像微積分課上的積分符號。它有一個長的中心軸，中心點兩側都有凹口。頂部和底部的緊密曲線通往像懸垂的露珠一樣圓形的尖端。這個複雜形狀的邊界大約比10 世紀原始圓形fithele 的邊界長三倍。雖然週長很長，但開口的表面積卻相當小：任何試圖窺視樂器黑暗內部的小提琴手（閱讀製造商的標籤或發現音柱）都知道F 孔是細長的窗戶這挫敗了大多數人的嘗試。

在過去的千年中，小提琴製造商緩慢而堅定地改變了他們的設計，以縮小表面積並擴大雕刻開口的周長。 10 世紀，小提琴的早期祖先fithele 在指板兩側各有兩個簡單的圓形孔，就像樂器表面上的超大凹痕。兩個世紀後，圓形變成了半圓形，到了13世紀，它們被擠壓成C形。在義大利文藝復興時期，切口變成了狹窄的新月形，每個錐形尖端都懸掛著小球，後來在新月形的中間增加了一個小山峰。最後，在17世紀，新月被扭曲成細長的F形。

麻省理工學院的研究使用複雜的數學分析來分離小提琴聲音的設計秘密。但小提琴製作者從來沒有如此客觀的解釋能力來向他們展示音孔的哪些特徵使樂器能夠產生更深的音調。那麼，設計如何以及為何隨著時間的推移而改變呢？

麻省理工學院的團隊提供了一個有趣的答案。就像有機體一樣，小提琴也在進化。隨著時間的推移，導致音孔變得更細的細微變化是隨機突變的結果，用遺傳學術語來說，是由工匠的小錯誤引起的。這些不可避免的錯誤——這裡或那裡的額外剪裁——在每一代樂器中造成了一系列略有不同的音孔。下一位小提琴製作者選擇以上一代聲音最大的樣本為模型製作他的樂器。在數百年的時間裡，這種對聲音最好的樂器的隨機突變和選擇導致了斯特拉迪瓦里和他的同時代人的誕生，他們被廣泛認為製造出了歷史上最非凡的樂器。

有趣的是，自17 世紀小提琴製作的黃金時代以來，音孔的幾何形狀幾乎保持不變。進化的引擎似乎按照其自然的軌跡運行，直到達到最佳解決方案。然後就悄然消失了。

封面圖片： 雖然我們許多人可能不認為聲學是一門科學，但工程師發現，要產生小提琴的最佳聲音，需要考慮許多因素。圖片由達蒙·克里斯韋爾提供。