[管风琴的早期历史与工作原理简述]管风琴工作原理

　　内容摘要：西方最古老的键盘乐器――乐器之王管风琴，在我国还不被大众所熟知。随着经济和科学、艺术的快速发展，近年来管风琴已逐步落户在国内各大城市著名音乐厅及音乐院校。文章阐述了管风琴的早期历史、工作原理及组成部分，让广大的音乐爱好者更为了解管风琴，享受管风琴音乐带来的优美华丽的意境。
　　关键词：管风琴 工作原理 联动装置
　　
　　一、历史背景
　　一些研究认为管风琴出现于公元前250年左右，是乐器历史上构造最复杂、体积最庞大、造价最昂贵的乐器， 它无疑也是所有古典乐器中不被人们所了解的一种。在管风琴问世之前，希腊的牧羊人就已经开始使用一种名叫“双笛”(Syrinx)的乐器，其音色与后来的管风琴非常相似。最早的管风琴则出现在公元前3世纪，这件乐器的发明者是居住在希腊亚历山大的机械师克忒西比欧斯（Ktiesibios），他用水力风箱产生气体，使气体密闭在一个气室中，并在气室上由大到小依次放置了一排管子，然后让气体通过管子发出声音。就这样，克忒西比欧斯首先发明了水力管风琴（Hydraulus）。
　　此后，这种新乐器在整个罗马国流行起来，常用于非宗教性的庆典场合。公元757年，拜占庭皇帝君士坦丁五世将一架管风琴作为礼物送给了法兰克国王丕平（Pepin），从此激发了修道士们自己制作管风琴的愿望。一开始他们制作的管风琴非常小，人们称为“便携式风琴”，这种琴可以夹在胳膊底下随身携带。接着他们又制作了稍大一些的可以放在桌子上的“伴唱管风琴”，随后他们制造的管风琴就更大。这些大型的乐器占据了各家教堂的楼座，再后来为了使管风琴师们能更快地进行演奏，他们发明一种机械装置，使得琴键间的距离变得更近，使和声与和弦的演奏也成为可能。第二、第三键盘的出现也是非常重要的发展。到了14世纪，人们甚至为这件乐器增加了一个脚键盘。最后，管风琴的发展进入一个多样化的时期，各种控制不同音色、不同音调的管风琴音拴赋予这件乐器更广的音域。历史上出现过许多著名的作曲家和演奏家，管风琴的制造者却鲜为人知。因为管风琴的结构直接依附在建筑结构之上，根据教堂或歌剧院本身的规模和经济实力来决定管风琴的大小，因此它并没有明确的规格限制。有意思的是，管风琴的制作方法至今几乎再也没有改变过，他们一直保持并延续着手工制作管风琴的传统，因而为每一架管风琴都赋予了独特的个性。大多数人认为管风琴是一件宗教乐器，实际上它有着多种不同的用途：在音乐厅和会客室里的管风琴、街头演奏的风琴、手摇风琴、曾经被用在电影院的管风琴等。在这些形形色色的管风琴中，没有哪架管风琴是相同的。管风琴的历史是如此的深远和悠久，这与历史的进程、社会的发展、科技的进步有关，还与那些献身于管风琴的人们有着密不可分的联系。
　　
　　二、管风琴的工作原理
　　管风琴属于簧片类乐器中的自由簧乐器，是风琴的一种。管风琴是靠铜制或木制音管发音，演奏方法类似于其他键盘乐器，音域极宽广，一般都使用数层的键盘，脚下还有脚踏键盘，由许多根音栓来控制具体音高。在管风琴乐谱技法中，高音部以高音谱号记谱，低音部以低音谱号记谱，脚踏键盘部分以倍低音谱号记谱。管风琴的音色宏大、饱满，适合在庄严气氛中演奏严肃神圣的宗教音乐，所以在中世纪的欧洲，几乎每个小镇教堂中都拥有或大或小的管风琴。
　　早期演奏管风琴通常需要两人或更多人配合，一人演奏，一人或多人鼓风，这种方式延续了2000多年。后来管风琴的规模越来越大，就开始用机械设备来鼓风，因而又发展出更复杂的键盘机械结构。现在常见的管风琴有机械式管风琴、机电式管风琴和电动压气式管风琴。
　　管风琴由以下几个部分组成。
　　操作台。供管风琴演奏者演奏的键盘区域称为演奏台或操作台(console)， 也是许多人第一眼看到管风琴的部分。其中，操作台除了有一层或多层手键盘、脚键盘以外，还有设置在操作台的两侧或键盘上方的音栓控制部件。
　　音管。伦敦圣保罗大教堂的建筑师克里斯托弗・瑞恩爵士曾把管风琴这种乐器比喻成“装着哨管的盒子”。管风琴当然比“装着哨管的盒子”要复杂得多，它由一层或更多层键盘操纵，并由一个风箱供给气流。
　　总体来说，管风琴上的音管大体分为两类：第一类是有口发声，原理与哨子类似，称“哨管”（Flue pipe）。哨管发声原理和乐队中的长笛非常相似，风箱代替演奏者的“肺”供给气流。演奏长笛时空气通过演奏者的嘴进入长笛进气孔，风琴的哨管也是如此，气流通过笛腔或哨管的其余部分时被放大。用手指按住笛孔时，笛腔内的空气柱变长，声音的音调变低了。风琴的哨管也是如此，空气柱越长，音调越低，哨管长度影响到声音或音调的高低。一般尺寸的管风琴，其哨管长度在几英寸到16英尺（约4.9米）之间。在大型管风琴上，最大的哨管可达32英尺（约9.8米）甚至更长。风琴上的哨管还有多种其他形状，形状改变了，音色也就有所改变。有的哨管是圆锥形的，有的哨管是方形的，有的是三角形的。
　　大部分哨管都是金属做的，通常是锌、锡和铅的合金，也有木制的管子，但木质管通常都加阻塞器，发出的声音比较柔美圆润。偶尔也有用其他材料做的管子，如竹子等。管风琴哨管的形状能够改变声音的音质和音色。一架管风琴的声音决定于它的主音栓。主音栓是一排管口上面的圆柱哨管，它发出的声音明亮而尖锐。如果在哨管顶部安一个阻塞器的话，发出来的音就柔和清晰得多；要是不加阻塞，管内的空气柱等于加长了两倍，音高也就低了两倍。
　　金属哨管通常用加长管子的办法来减低音高，用缩短管子的办法来提升音高。这就需要用一个拉管（或伸缩管）来做到这一点，通常在哨管的顶部安一只可以上下移动的金属圆柱来改变空气柱的长度。老式管风琴的哨管往往用开放顶部的办法来加大管子的直径，并以此来调节音高，这就是所谓的调音锥。锥的尖形底部插入哨管，使管口开启并使声音变尖，当它空心的大头盖住哨管顶部的时候，音调就变低了。这个调音锥还可以用一个锥子把它打到管子里边去，不过这样做会对管子有所损伤，所以后来改用拉管来调节音高。有的哨管特别是那些放在前排的管子，在调音时往往要揭掉一片哨管顶部的金属（或者把这条金属卷起来），以此来加长或缩短空气柱的长度。阻塞哨管则是用装在管子里边的阻塞器来调节音高。制造者只要改变管风琴的体积或尺寸、改变哨管的音阶标度或者改变调音的方式就可以改变音管的“说话”方式。例如，空气通过金属片上的凹口进入哨管时，这个凹口就能改变声音的质和发声的速度。风压的大小可以利用空气从风箱出来时，是否能吹动水或其他类似的量具来测量。小型管风琴和旧式管风琴的标准风压为1.5-2.5英寸（3.8-6.4厘米），而大型管风琴特别是19世纪下半叶至20世纪上半叶制造的管风琴，风压都比较高。利物浦圣公会大教堂的那架管风琴上的两排簧管音栓，其风压竟达50英寸（127厘米）。
　　另一类音管内有簧片，发声原理与风笛和中国传统乐器笙相似，称为“簧管”（reed pipe）。簧管的发声与哨管不同，但发声的原理还是一样的：空气从哨管的底部进入，振动却发生于簧舌（通常是黄铜做的）与哨管底部的一个凹槽（即共鸣器）之间。决定音高的空气柱要求簧片（相当于笛管上的哨）按其振动周期来振动，从而发出声音。乐队中的某些乐器如双簧管或大管都是这样发声的。所以，风琴上的某些音栓是以乐队中的某些乐器来命名的。19世纪，有的风琴制造者往往使用自由振动簧片，并以一个打孔的金属板（通常是一片厚的黄铜板）来替代凹槽，这样，簧片在管子内可以自由振动，自由振动簧片因此而得名。有了自由振动簧片就可以不要共鸣器，后来的簧片风琴也就是这样的结构。簧管声音与哨管不同，仿佛长笛与双簧管那样的差别。簧管的音调是由簧片的长度决定的，簧片短，振动得快，发出来的是高音，反之，簧片长，振动得慢，发出来的声音就低。有的簧管是用改变共鸣器的长度或形状来调音的。
　　
　　三、管风琴的机械原理与联动装置
　　管风琴浑厚饱满的声音震撼着每位听众的心灵，它的每根音栓的音色不尽相同，几乎可以模仿所有的乐器，但它的发声和联动部分却隐藏在壮丽的音管后面，不易让人察觉。管风琴精密的联动装置是无数工匠和杰出音乐家们不断研究改良的成果。
　　从上文得知，有空气进入音管（哨管和簧管的统称），管风琴才能发出声音，风箱是空气（或气流）的供给者。在有电力之前，风琴的风箱要用手来鼓风。一些古老的乡村教堂里至今尚可见到那种鼓风用的杠杆，也有人站在风箱上或踏车上来鼓风，有人认为最古老的管风琴是利用水力将空气压入音管内，到了近代也有用水力机或内燃机来鼓风，不过现今的管风琴大多用电力鼓风。
　　风箱将空气驱入气室，气室的顶部有开孔，音管插入其开孔处。相同类型的音管成排地插在一起，同一排音管表明同一类型同一结构同一材料。每一根音管代表键盘的每一个音。有时音管是按尺寸大小排列的，最大的音管排在左边即气室的低音部。不过也有把最大的音管放在中间和两端，这样可以避免大型音管将气室一端的空气全部抽走。
　　气室也有各种不同的类型，最常见、最古老也是最耐久的一种联动装置是用一种叫滑板（slider，可滑动的木片）也称为滑片（tracker）的装置来调节。键盘和气室通过一系列的联动装置（action）与音管连接。强弱音键盘是用一个可以开合的拉门或页窗（swell）有效地控制音量的渐强或渐弱，使管风琴发出层次分明、音色丰富的音效。
　　键盘上的各个琴键连接着装在气室底部的栓子上的若干组滑片，启动音栓后可以带动储气箱内的滑板（silder），音栓的作用是关闭或阻止气流进入音管，启动音栓时滑板会滑动到指定位置的音管，按下琴键，滑片上的小孔正好与音管上的入气孔对准，使气流通过音管发出相应的声音。换言之，如果演奏者在演奏目标键盘时不启动相对应键盘上的音栓，演奏时即使看到琴键在动也不会使音管发出任何声音。滑片联动装置拉近了演奏者与乐器的距离。这种十分灵敏的装置，使演奏者轻触键盘就可按照触键时的轻重缓急而使管子发出声音。
　　
　　结语
　　在礼拜乐和音乐会上，我们可以听到各种各样的管风琴音乐。尽管管风琴原本只是一种独奏或伴奏乐器，但各个时期的作曲家们都为它写过独奏曲。在今天的欧洲和北美，通过学院和大学的正规训练，管风琴正处在高度专业化的水平。管风琴是独一无二的乐器，无论是演奏者还是聆听者，都能为之如痴如醉。
　　参考文献：
　　[1]大卫・贝克.管风琴的历史[M].庄继禹，译. 北京：北京普罗之声文化传播有限公司，2005.
　　[2]斯特凡诺・卡图齐.巴赫和巴洛克音乐[M].王亚琴，译.杭州：浙江人民出版社，2003.
　　作者单位：上海师范大学音乐学院
　　（责任编辑：轩蕾）