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电吉他演奏中的“弦理论”

日期:2015年3月24日 09:26

  在几乎所有类型的现代音乐中,我们都能听到电吉他的声音。在一个吉他大师的手中,吉他的音色富有感染力,甚至可以和人声一样,而这都有赖于电吉他的演奏中的推弦(string bending)、点弦(tapping)、颤音(vibrato)和颤音杆(whammy bar)等技巧。然而,这些演奏技巧是如何让电吉他产生特殊音质的呢? 英国牛津大学的大卫·罗伯特·格兰姆斯(David Robert Grimes)博士既是一位物理学家,同时也有着丰富的吉他演奏经验。最近,他利用物理学知识对吉他演奏中的技巧进行了分析。研究论文[1]于7月23日发表在《公共科学图书馆·综合》(PLOS ONE)上。果壳网对格兰姆斯博士进行了采访。

  吉他是非常流行的乐器之一,不过与钢琴等乐器不同,吉他的演奏可以产生连续的音调,而不是分散的音阶。从物理学的角度来说,关于弦乐器,例如小提琴的音响学已经有了很详细的研究,而这些结果也同样适用于木吉他(acoustic guitar).相比之下,对于电吉他(electric guitar)音响学的研究较少,并且都集中在电吉他拾音器的机电特性上,而关于其特殊音质和演奏技巧背后的物理学原理的研究并不多。

  格兰姆斯博士告诉我们,他玩音乐已经有好多年了。从15岁开始他就和别人组建乐队。作为一个专业的物理学家,他总喜欢把现实中的事物转化成物理学的公式来进行分析。对于自己在演奏电吉他时的物理过程他感到十分好奇,于是就进行了这项研究。

  首先,他用公式推导出了推弦、颤音和颤音杆是如何改变音高的。他发现吉他弦本身的物理特性对音高的改变有很大影响,尤其是弦材料的杨氏模量(Young's modulus)和弦粗度。另外,他还推导出了吉他弦与指板之间的距离对打弦(hammer-on)和拉弦(pull-on)所需力的大小的影响。(编者注:杨氏模量,弹性材料承受正向应力时会产生正向应变,在形变量没有超过对应材料的一定弹性限度时,定义正向应力与正向应变的比值为这种材料的杨氏模量。)

  L、推弦产生的角度θ、弦的张力T、弦的横截面积(粗度)A以及弦材料的杨氏模量E之间的关系。图片来源:研究论文

  随后,格兰姆斯博士用实验对这些公式进行了验证。他把跟随自己最久的一把吉他拿到实验室进行了改装。他在吉他的第12品位处加装了两个钉子,并将琴弦全部拆掉,只在第1弦和第6弦的位置用两根弦固定住弦枕,防止安装实验用琴弦的时候弦枕滑动。实验用琴弦被安装在第5弦的位置。琴弦在原位、挂在左边钉子和挂在右边钉子上时分别会产生0°、1.31°和1.94°的角。电吉他产生的声音经过调音器,再由不经处理的音响放出。音响上放置的麦克风会对声音进行采集,最后用Waves软件测量输出频率。

  准备就绪后,他将不同尺寸的琴弦分别换到吉他上,调到它们的标准音高后,分别记录下空弦、在12品位压弦、以及将琴弦压在左右两个钉子位置上这四种情况下的音高。并将吉他弦剪成30厘米的小段测量其线性密度。最终,实验测得的数据带入公式计算出的杨氏模量与理论估计值相符,验证了格兰姆斯博士推导的公式的准确性。同时数据显示,音高随推弦角度的变化不是线性的。这说明小角度的推弦可以产生特殊的音质,然而一旦超过一定角度,就有可能对演奏的音高造成影响。

  那么这些研究成果会对吉他的设计产生一些影响么?对于这个问题,格兰姆斯博士表示:“我认为吉他的设计应该不会发生大的变化。但是这次研究解释了为什么选一把好吉他,以及选择正确的吉他弦对演奏风格是十分重要的。演奏者从研究中可以了解到吉他弦的选择有多么重要。例如,如果他们想完成弧度较大的‘推弦',那么就应该避免选择过硬或是过粗的弦。”

  格兰姆斯博士示范推弦(上)和颤音(下).视频来源:研究论文

  在谈到他最喜欢的吉他手时,格兰姆斯博士告诉我们:“我喜欢Queen的主音吉他手布莱恩·梅(Brian May)、The Mothers of Invention的吉他手弗兰克·扎帕(Frank Zappa)、 Led Zeppelin的吉他手吉米·佩奇(Jimmy Page),还有流行音乐史中最重要的电吉他演奏者吉米·亨德里克斯(Jimi Hendrix)、 Van Halen的灵魂人物艾迪·范·海伦(Eddie Van Halen)以及Pink Floyd的吉他手兼主唱大卫·吉尔摩(Dave Gilmour)等等。”(编辑:球藻怪)

  参考文献:

  1.String Theory - The Physics of String-Bending and Other Electric Guitar Techniques David Robert Grimes Published: July 23, 2014 DOI: 10.1371/journal.pone.0102088

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