本文译自
新南威尔士大学音乐声学组[1]
JoeWolfe教授[2]科普文章[3]
木管乐器是如何工作的？上
原文请见文末链接
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木管乐器家族及其工作原理的简单介绍。本文描述了不同木管乐器的不同形状，不同激励(excitation)类型（空气射流或者簧片），以及这些区别引起乐器的不同表现。文中有关于各个乐器声学详细介绍的链接（注：链接见文末，链接文章尚未翻译）。由于原文内容较多，在此分为上下两篇。
《木管乐器是如何工作的？上》
关于声音二三事
频率
木管乐器家族
空气柱决定音高
谐音列[注：在此harmonicseries统一译为谐音列而非泛音列，参见[10]]
谐音和不同乐器的管身
《木管乐器是如何工作的？下》
长笛与簧片乐器：开管和闭管
圆锥管：双簧管，大管和萨克斯管
长笛
空气射流和簧片激励振动
单簧管
萨克斯管
双簧管和大管
更多关于木管乐器
关于声音二三事
首先，我们讨论一些关于声音的信息。如果你把手指轻轻地放在扬声器上，你会感受到它的振动。如果它正在大声的播放低音，你甚至可以看到它在移动。当它向前移动，它会压缩周围的气体，从而提高压力。其中一些空气向外流动，压缩下一层的空气。（更多关于扬声器的内容参见[4]。）空气的扰动以行进的声波（行波）的方式进行传播。最终，声波会引起耳膜微小的振动——但这是另外一个话题了。
频率
在声源附近的任意一点，分子前后移动，气压微小的上下波动。每秒钟振动的次数被称为频率（f）。它以每秒振动的次数或者赫兹（Hz）为单位。一个音符的几乎完全取决于频率。频率高则音高，频率低则音低。每秒振动次（Hz）的音为高音谱号第二间的A，一个频率为Hz的振动听起来是低八度的A，频率为Hz的音则是再低一个八度的A，以此类推。人类可以听到从15Hz到20kHz的声音（1kHz=Hz）。低音大管可以演奏29Hz的Bb0（大字二组的降b）。当大声演奏这个音符，你可以听见簧片每秒钟开闭29次时发出的一个个高压脉冲。人耳对1到4kHz之前的声音最为敏感。大概是中央C上方2到4个八度。这也是为什么短笛演奏者不必像大号演奏者那样费力吹奏来被听到。(此处有关于《音高，频率和MIDI》的介绍。)
木管乐器家族
下图展示了一些木管乐器。左侧的标尺给出了参考尺寸。从左到右依次是大管，单簧管，中音萨克斯，英国管，双簧管和长笛。它们是以音域来近似排序的：大管的最低音为Bb1（大字一组的降b，58Hz），A调和降B调单簧管的最低音分别为C#3（小字组升C，Hz）和D3（小字组D），中音萨克斯管的最低音为C#3（小字组升C），英国管最低音为E3（小字组E，Hz），双簧管的最低音为Bb3（小字组降B，Hz），而长笛的最低音为B3（小字组B）或者C4（中央C，Hz）。这张图片并不完整：长笛家族可以加入短笛（高一个八度），中音长笛（低一个四度）和低音长笛（低一个八度）。类似的，还有高音、中音和低音单簧管；高音双簧管，抒情双簧管和低音双簧管；低音大管；以及一系列萨克斯管：超高音，高音，中音，次中音，上低音，低音和倍低音萨克斯管。（在这张图片中，为了展示其形状，大管和英国管的吹口管（连接管身和簧片的细金属管）旋转了90°。当乐器如图放置时，大管的吹口管正常应该面向读者的，英国管则是背向弯曲。）木管乐器拥有一个细而长的空气柱。最低音在所有音孔关闭，也就是空气柱最长的时候演奏。空气柱可以通过从下侧开口端连续打开音孔来不断缩短。另一端通常有控制气流的装置：长笛家族的空气射流和其他木管乐器的芦苇制簧片。我们将依次讨论这些元素。
空气柱决定音高
声波可以沿着管道向下传播，在一端被反射并向回传播。它在另外一端也能够被反射，然后重新开始向下传播。对于长笛最低音区的一个音符，这样一次往返构成一个振动周期。（在单簧管的低音区，则需要两次往返：详见长笛与单簧管[5]）。管子越长，往返花费的时间越多，因此频率越低。在木管乐器中，有效长度可以通过开闭管侧的指孔或者音孔来进行改变。这是乐器在同一声区内改变音高的方式：所有孔关闭时演奏最低音，从底部依次连续打开音孔将可演奏半音阶。（在《长笛声学》[6]中，我们会更加详细的讨论简单或者交叉指法改变驻波长度的问题，并给出具体示例。所有木管乐器的原理都相同。）然而，改变有效管长并非改变音高的唯一方式：对于任何木管乐器，通常可以利用一个指法演奏多个音符。
谐音列
在乐器中往返传播的声波会构建驻波——一种乐器中空气的振动模式。有可能会存在多种不同的模式。在长笛上，按下所有键，你可以演奏大概七个或八个不同的音符。它们的音高（近似值）如下。这些声音的频率为最低频率（f0）的整数倍。我们称之为谐音列。试试在任意乐器上在不改变指法的情况下吹奏谐音列。你会发现第七谐音偏低。（更多细节详见《长笛声学》[6]和《单簧管声学》[7]）
谐音和不同乐器的管身
为什么长笛中的空气可以以不同的方式振动？因为，长笛两端都向空气开放，所以压力非常接近大气压，但是空气可以自由的进出。管内压力可以变高或变低，但是空气流动的自由度较低。左侧的图显示了满足长笛条件（管两端压力为零或振动最大）的不同振动模式或者模态。从上至下第一幅图片显示波长是长笛管长两倍的波的模态（2L），第二幅图片的波长为2L/2，第三幅为2L/3，以此类推。频率等于声速除以它的波长，由此得出谐音列f0,2f0,3f0...（这里做了一定简化：压力的波节应位于管道外部一小段距离处，因此，此计算中用到的管道有效长度L应比管道的物理长度略大。管口校正值大约为管道开口半径的0.6倍。）
这些图显示了波在最简单的三种空气柱中的模式：开放的圆柱管（开管），一端关闭一端开放的圆柱管（闭管）以及圆锥管。红线代表声压，蓝线代表空气振动的量（位移）。这些管均具有同样的最低音或者基频。请注意，开管中最长波长是管长的两倍（例如长笛），圆锥管中最长波长也是管长的两倍（例如双簧管），但是闭关中最长波长是管长的四倍（例如单簧管）。因此，一个长笛演奏家和双簧管演奏家使用（几乎）整个乐器的长度演奏C4，而单簧管演奏家能够用一半的管长来演奏（近似的）C4（记谱D4），也就是移除下节管和喇叭口。重要的是：在三个图中，每行对应的频率和波长相同。当你查看圆锥管的图时，你可能感到惊讶，因为红色或者蓝色线段的形状看起来大不相同。这种简单正弦波形状的变化是由于圆锥管的横截面积不断变化引起的。（参见《管与谐音》[8]，其中对这个问题有更详细的讨论）。在《长笛声学介绍》[6]，《单簧管声学介绍》[7]以及《萨克斯管声学介绍》[9]中有更多关于管内驻波的详细讨论。其中还讨论了使用高音孔(registerhole来产生谐音的问题。不同形状的管身的影响在《管与谐音》[9]中有更详细的讨论。
未完待续
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感谢新南威尔士大学音乐声学组
JoeWolfe教授
JohnSmith教授
李玮聪博士
[1]新南威尔士大学音乐声学组：
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