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科技解剖室

管風琴的大鳴大放

2004/08/01 菲謝蒂(Mark Fischetti)
讓管風琴發出聲響的,只是一片薄薄的木片。

重點提要

管風琴是全世界最大、氣勢最磅礡的樂器。但從一片死寂到發出震耳欲聾的聲響,其間的差別僅在薄薄的一片木片。
管風琴是全世界最大、氣勢最磅礡的樂器。但從一片死寂到發出震耳欲聾的聲響,其間的差別僅在薄薄的一片木片。

自從公元前250年管風琴問世至今,所運用的物理原理完全相同。氣流由儲風槽通過以皮革包覆的木製調節瓣,進入長度不同的音管,振動空氣柱發出不同的音高。長達2000年的時間,都是人類(通常是教堂信徒中的男孩)憑手腳鼓動風箱供應空氣,直到馬達和鼓風機問世後,情況才改觀。


在19世紀後期的管風琴,當管風琴手按下琴鍵時,便會有一連串木連接閥拉開調節瓣,讓空氣流入指定的音管。不過隨著聽眾希望以更龐大的機械裝置發出更有變化的聲音,來為更大的教堂或市政廳增色,風壓的需求便更大了。因此演奏者必須更用力按下琴鍵,才能和壓力抗衡,開啟調節瓣。設計人員最後採用新發明的電,解決了這個問題:只要輕鬆按下琴鍵,便能接通電路,啟動電磁鐵或螺線電導管,由它拉動調節瓣。


目前採用這兩種運作方式的管風琴都還有人製作。1879年開業,位於加拿大魁北克聖亥亞辛什的老字號管風琴製造商卡薩文弗瑞爾公司副總裁謝爾說:「聲音的確不一樣。」每種設計的音質都各有特色,也各有引人入勝之處。


具備兩個鍵盤、腳踏板,約16個音栓(不同音調)的教會用中型管風琴,擁有1200支左右的音管,價格約為20萬美元,要花上兩年時間以人工打造。在工廠完全組裝好並進行測試,再拆解運送到最後的安裝地點。在那裡花上幾個星期的時間,重新組裝錯綜複雜的木牽引或線路。每支音管都要修音(依據室內的聲學特性調整)並調律。謝爾說:「每部管風琴都是工程傑作。」他還說,每部管風琴首次公開演奏時,「我們仍會對發出的樂聲讚歎不已。」


你知道嗎?


◆激昂之聲:具備「增音琴」功能的管風琴中,有多組音管包在龐大的垂直木製百葉片門板內,音管在裡面發出的聲音有點悶,但當管風琴手以腳踏板打開百葉片門板時,音量將逐漸加大,直到激昂的最高點。


◆雄偉之聲:英國倫敦聖保羅大教堂由於內部空間廣闊,讓建造於1690年代的大型管風琴的殘響(即回音)可長達九秒;因此管風琴手在演奏時必須學習運用回音,同時避免受到干擾。美國耶魯大學的紐柏利紀念管風琴中,喇叭型風口音管本巴敦低音號32呎可用每秒16次的頻率震撼整座房屋。費城赫克特百貨公司高七層樓中庭裡的約翰沃納梅克大型管風琴,共有2萬8500支音管,是全球音管數目最多的一部;最大的音管寬度可讓小馬站在其中,最小的音管僅1/4吋高。將在今年夏天啟用的洛杉磯華德迪士尼音樂廳管風琴,重達40公噸,100多支順著陡斜牆面彎曲的巨大音管必須以鋼架支撐,全部6134支音管都則以沉重的金屬腳座固定,以防地震。


◆台灣之聲:台灣有27座管風琴,13座在教會,11座在學校,最大一座在國家音樂廳,有4172根音管。2003年國家音樂廳為管風琴進行大規模養護,風管、音栓、琴鍵從檢查、清潔、保養到調音,整整花了一個月。


機械式管風琴的空氣由鼓風機送入儲風槽,以調節風箱內的壓力。管風琴手拉出音栓時,連接閥會拉動木製滑板,使上面的孔對準某一排音管底下的孔,讓這排音管發出聲音。按下琴鍵時,木連接閥則拉動木製調節瓣,讓空氣通過某個音(例如)的引道,進入引道上方則開啟音栓的音管。



電動式管風琴沒有連接閥。按下琴鍵後,電流便通過電線送至螺線電導管,拉開電樞和調節瓣,讓空氣進入引道,之後以彈簧(未繪出)關閉調節瓣。






電動空氣壓縮式管風琴是利用壓力壓縮運作。音栓拉出時,連接閥收起,通往引道的袋和彈簧上方的小氈盤(即調節瓣)便被打開。按下琴鍵會將電流送至電磁鐵,於是拉起電樞,讓高壓空氣由引道逸出,然後拉下袋,讓空氣流入音管。



管風琴的音管可分成兩種,風管(左)是中空的,當空氣由開啟的調節瓣流入時,衝擊上唇,使空氣柱振動,便會發出聲音。音栓上端可動的套筒或木塞可控制音高。在簧管(右)中,空氣會使靠在簧嘴板上的簧片振動,帶動共振管中的空氣柱。固定在簧片上的調音桿負責調音高,就像按在小提琴弦上的手指一樣。音管可以是方形、圓形或錐形。風管音色通常使用於風琴(標準音高、基音)、弦音和笛音,簧管通常用於小號和單簧管。音高相同時,閉口管的長度為開口管的一半。兩呎長的開口管(從風口到頂端)可發出中央C(261.6赫)的音高。


按下琴鍵調節瓣便會開啟。風箱的牽引桿孔是以小砝碼封住,並以氈子加強效果。放開琴鍵時,彈簧便關閉調節瓣,氈墊可阻擋聲音,皮製襯墊則有密封作用。




【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2004年第30期8月號】


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