论钢琴弦轴的松紧

金先斌，谭汉立

（北京中加合资海资曼钢琴有限公司，北京 100086）

琴弦的发音要素之一即必须张紧琴弦。当弦的直径、长度不变时，音高取决于弦的张力，而调整琴弦张力的手段即是扭转弦轴。换言之，音准的调校是通过扭转弦轴，继而改变琴弦张力来实现的。由此可见，弦轴松紧是否适度是衡量钢琴质量的重要指标之一。弦轴过松，导致调律无法进行，故当前市场上弦轴松动的钢琴已基本绝迹。而对于弦轴过紧或有“跳进”现象的钢琴尚可调试，故弦轴过紧的钢琴在市场上普遍存在，大家多是认为“新琴的弦轴紧点好，调试几年后，弦轴过紧的问题自然消失”，这是认识上的误区。

本文针对弦轴松紧的问题，从理论到实践，再到实验进行了实物操作研究。尽管笔者有从事钢琴调律工作半个多世纪的职业经历，但得出的实验结论亦让笔者感到吃惊。这个结论即是：调律的次数多少对弦轴松动的影响近乎为“零”。

立式钢琴的弦列设计在“钢琴铁板”上呈现交叉分布，近20 t的弦张力通过弦轴板作用在铁板上。由220多根琴弦组成的弦列，竟然通过弦枕悬浮在铁板的表面（离开铁板约10 mm）。这不但使铁板产生了向前弯曲的力，还由于弦列交叉排布形成两边向中间弯曲的力，弦轴板不但起到稳固弦张力的作用，还起到防止铁板横向变形的“龙骨”作用。

1 弦轴板

弦轴板是音准和音准稳定的核心部件。

弦轴板由密度大的优质木材制成。现代钢琴300多年的发展历史证明，再优质的木材，也不能承受近20 t的琴弦张力，以及弦轴扭转产生的回转阻力矩。在早期的钢琴制造业，曾试用过金属、塑料、层压胶布板作弦轴板原料，但均未获得成功。迄今，还没找到比多层木质胶合板更具优势的替代品。上世纪五、六十年代，国内钢琴生产均采用5～7 层的胶合弦轴板。由于出材率过低以及材料受气候温湿度的影响，导致因弦轴板出现质量问题而致弦轴松动现象屡屡发生。自上世纪70年代后期，钢琴生产开始采用多层（19层）胶合板轴板，因其出材率高、环保、不变形、较少受温湿度影响的优势，而被钢琴制造业普遍采用。自上世纪80年代以来，我国主要钢琴厂均已采用此类型胶合轴板，但由于轴与孔的配合未做调整，致使弦轴出现过紧现象。虽然多层胶合轴板具备诸多优点，但由于胶液充塞了木材的毛细管孔，导致木材弹性下降。

弦的张力通过弦轴作用到弦轴板上形成三种力：一是沿琴弦方向产生的拉力；二是直径大于轴板孔径的弦轴栽入轴板后产生的压力；三是由于琴弦缠绕在弦轴上，弦的张力使弦轴形成回转阻力矩。回转阻力矩的大小，不仅与弦的张力有关，还与轴和孔之间的摩擦力有关。而摩擦力又与轴板木材的密度，轴表面纹牙的状态、洁净程度，轴板钻孔时孔壁是否焦糊，以及弦轴的直径与轴孔径的配合、轴栽入孔内的深度等因素有关。这些材质、工艺问题并非复杂问题，假设以上问题均达标的前提下，调律时松紧适度的弦轴回转阻力矩相关力学参数是可以计算出来的。前苏联学者H・A・捷亚科诺夫在其所著《钢琴制造》一书中指出：“现代钢琴弦的最大张力可能相当于175 kg①。当弦轴直径为7 mm，弦直径为1.2 mm时，最大张力矩（回转阻力矩见图1）为”

显然，此张力矩是弦张力与弦轴回转阻力矩的临界点。如此看来，在实际应用中，这个回转阻力矩需加以修正。根据实践及实测数据，将回转阻力矩增加50%较为适宜：

71.75 × 1.5 kg= 107.6 kg（100 kg～120 kg）

当轴的直径加大或轴孔过小时，回转阻力矩必然加大，弦轴即呈现过紧状态。这不但不利于调律，也不利于钢琴的音准稳定。且轴径过大时，轴孔壁易出现“跳进”现象（孔壁焦糊时亦会出现跳进问题），继而孔壁的木材纤维被破坏，反而在后期更易出现弦轴松动的问题。因此，如何使轴径与孔径达到合理配合状态，成为弦轴松紧适度的关键所在。

在钢琴生产企业，对于轴径与孔径的配合工艺多加以保密。其实，轴径与孔径的配合与轴板密度、钻孔工艺、空气湿度密切相关，即使达到最佳配合状态的轴、孔配合，也不是一劳永逸和一成不变的。不同批次的轴板，材料密度亦或不同，钻头磨削不当及更换都可能导致阻力矩的变化，故经常使用力矩扳手进行测定应作为工艺规程（有外国著名厂家透露，轴孔配比以7∶6.8 为宜）。有一点应统一认识：弦的张力与弦的回转阻力矩有直接关系，但两者并不相等。因为，若弦从弦轴中心通过，顶端用螺丝固定，则其回转阻力矩必为零，而只存在琴弦张力作用在弦轴上的“切向力”。

图1 弦轴回转阻力矩示意图

2 调律时弦轴转动的幅度

在对钢琴进行调律时，弦轴被扳手扭转的幅度有多大，此数据尚无可查证。对此，笔者进行了实际测量。由于弦长不同，调律时同样升高半音，弦轴转动的幅度亦不同。测定结果显示：当提高半音时，从A2～a（一号键至37号键），弦轴转动幅度约为8°，从a1～a2约需扭转6°，从a2～a3约需扭转4°，从a3～a4约需扭转2°。如图2所示，当小字一组a1音高提升小二度，弦轴旋转约为6.5°。弦轴转动幅度的测量难以做到精确，因为弦轴转动的初始阶段存在弹性变形，且因弦轴的松紧状态不同，变形大小不尽相同。但此项测试仅为证实在调律过程中，弦轴转动的幅度不大，似无精确的必要。

图2 弦轴扳手旋转角度示意图

3 弦轴转动对孔壁的磨损

在调律实践中，很少有提高半音（100音分）的情况，音高变动范围多为20音分左右。由此看来，每次调律弦轴转动3°更为适当，按每年调律2次为计，60年调律需要调律120次，则由此大致推算弦轴总体转动角度为：2×120×3°=720°，即正常情况下，钢琴使用60年，仅相当于弦轴转动二周。

在实践中，调律时断弦现象时有发生，中高音区更换一次新弦，通常要将弦轴倒退三周半，换好后把音调准，还需将轴在正转三周半，即换一次琴弦需要把弦轴转动7周。但实践中，尚无换好弦后轴即松动的实例。客观地讲，将弦轴转动7周必然对轴的松紧造成影响，但由于影响很小，远不足以达到更换弦轴的程度。

近20年来，全国各类调律培训班纷纷开办，调律教学用琴的弦轴几乎天天处于调试练习状态，尚无一例弦轴松动的现象。为进一步了解弦轴转动对弦轴板磨损的情况，笔者选择4架“148”型三角钢琴及“133”型、“132”型、“120”型立式钢琴，琴体采用进口弦轴板，并在中音区域选择10个未缠绕琴弦的常规弦轴，分别做“十个回合”的扭矩实验数据测试，共取得728个数据。此实验已将弦轴转动对轴孔磨损的测试做到“极致”：每架钢琴选出10个弦轴，将每个弦轴作顺时针和逆时针旋转各10周，即每个弦轴旋转20周（应为800个实验数据，最后一架钢琴因故未做完测试）。弦轴回转阻力矩变化数据见表1：

表1 弦轴回转阻力矩变化数据实验测试表 （单位：kg）

由上表可以看出如下问题：

（1）即使选用进口弦轴板，在时间、钻孔条件和轴孔配比相同的情况下，弦轴的回转阻力矩亦不相同。这种差距形成的原因可能有两个：同一树种的木材密度不可能完全一致；不排除同一批次弦轴的轴径有微小差异。因此，为观察不同阻力矩在转动20周后的状况提供了有益的参考；

（2）上表的差值变化及累计差值为：松轴与松轴对应，紧轴与紧轴对应。松轴即逆时针旋转，紧轴即为顺时针旋转；

（3）“1回合”为先逆时针旋转一周（松轴），再顺时针旋转一周（紧轴）。各回合数据均为“紧轴”比“松轴”阻力矩小，这是因为松轴一周，弦轴退出约3 mm，故紧轴初始的阻力矩小于松轴的阻力矩；

（4）从前三回合的累计误差看，“松轴”的阻力矩下降19 kg，而总体下降值为25.5 kg，说明初始回转阻力矩过大，则阻力矩下降的幅度加大。由此证明，阻力矩过大时，存在孔壁被破坏的现象；反之，表中“2轴”初始阻力矩仅为120 kg（接近合理阻力矩），20周后仅下降20 kg（松轴）和25 kg（紧轴），且下降到85 kg时手感并不觉得松动。

（5） 表1中第6回合回转阻力矩较第5至第2回合加大，是因其间实验操作有所停顿。

4 结论

（1）当弦轴回转阻力矩适当时，调律时弦轴的转动对轴孔壁的磨损微乎其微。年久的旧琴，弦轴松动是弦轴板木材老化、干燥失去弹性所致。新琴的弦轴过紧会破坏孔壁的木材纤维，无助于后期弦轴的紧固；

（2）弦的张力与弦轴的回转阻力矩有关，但弦的张力不等于阻力矩。根据现代钢琴琴弦的最大张力、阻力矩不应大于100 kg～120 kg。力矩扳手所测得的数据为弦轴的回转阻力矩，并非弦的张力；

（3）多层弦轴板是当下最优选的轴板之一。多层胶合工艺轴板不仅强化了木材的纤维，更加强了其抵御潮湿的能力，使其耐候性大大增强。只要胶质不老化、分解，则不会出现木材纤维老化松脆失去弹性的问题；

（4）由于多层板所含胶液通过热压固化后，减少了木材纤维的弹性，故而对轴与孔的配合要求更为严格，建议应将每批琴以力矩扳手进行阻力矩的检测纳入工艺规程。

弦轴过紧导致琴的品级降低，解决问题的关键在于找到适合的弦轴回转阻力矩，只要轴板合格，调整轴与孔的配比即可取得适当的阻力矩。我国已成为世界钢琴生产大国，只要扎实地把每个细节做到精益求精，钢琴强国之梦终将成为现实。

注：

① 通常“张力”、“力矩”均应以“牛顿”为单位，因上世纪50年代出版的《钢琴制造》为我国最早的钢琴技术文献，文中的张力、力矩均以kg为单位，故延用至今，1 kgm=9.866 Nm。