🎸 原声吉他物理
模拟吉他弦振动模态与驻波。可视化1-8次谐波,调整张力和长度,聆听每种模态。物理公式:f_n = n·v/(2L),v=√(T/μ)。包含傅里叶合成。
关于原声吉他共振
一根振动的吉他弦在离散的谐波频率 f_n = n·v/(2L) 上支持驻波,其中 n 为谐波数,L 为弦长,v = √(T/μ) 是由张力 T 和线密度 μ 决定的波速。基频(n = 1)决定音符的音高;更高的谐波(n = 2、3、4…)是基频的整数倍,赋予吉他其特有的音色。一根调至440 Hz、L = 0.65 米的标准 A₄ 弦所需波速为 v = 2 × 0.65 × 440 ≈ 572 m/s。吉他琴身作为声学谐振器,通过琴桥与弦耦合,并通过音孔和面板辐射声音。
调整弦的张力、长度和线密度以改变波速与频率。选择1–8次谐波模式,查看带有节点(固定点)和腹点(最大位移点)标注的动画驻波。谐波总览画布同时显示全部8种模式。点击「傅里叶合成」可组合到所选模式为止的全部谐波,揭示拨弦波形是如何由正弦波叠加构成的。
常见问题
吉他弦上的驻波是什么?
当沿弦传播的波从固定端点(琴枕和琴桥)反射并与入射波干涉时,就形成了驻波。在特定频率下,反射波与入射波结合形成一种带有固定节点(位移始终为零)和腹点(位移最大,持续振荡)的模式。弦长必须等于半波长的整数倍:L = n·λ/2,得到 λ_n = 2L/n 和 f_n = v/λ_n = n·v/(2L)。
弦张力如何影响音高?
波速 v = √(T/μ),因此音高 f₁ = v/(2L) = √(T/μ)/(2L)。张力加倍会使波速乘以 √2 ≈ 1.414,音高大约升高一个纯五度。吉他调音钮通过调节张力:拧紧提高音高,放松降低音高。一根标准细规格吉他弦(μ ≈ 3 克/米,L ≈ 0.65 米)调至 E₂(82 Hz)所需张力约为 T = (2Lf₁)² × μ = (2 × 0.65 × 82)² × 0.003 ≈ 66 牛顿。
什么是节点和腹点?
节点是弦上永不移动的点——那里的位移始终为零。对于模式 n,共有 n+1 个节点(包括两个固定端点)。腹点是相邻节点之间位移最大的中点。对于模式 n 共有 n 个腹点。在第12品(中点,L/2)轻触吉他弦会在该处强制形成一个节点,抑制奇次谐波,产生更高音、类似长笛的「泛音」——比空弦高八度的音符。
为什么谐波会让音符听起来更丰富?
纯正弦波听起来单薄且带有电子感。当你拨动一根吉他弦时,初始的三角形位移形状会同时激发许多谐波。每个谐波以不同的速率衰减(更高的谐波衰减更快),赋予音符的起音和延音阶段独特的音色特征。谐波的相对强度——即谐波频谱——正是吉他区别于弹奏相同基频的钢琴或小提琴的关键。
什么是傅里叶合成,它在这里如何应用?
傅里叶定理指出,任何周期波形都可以表示为基频整数倍的正弦波之和,每个都有各自的振幅和相位。对于被拨动的弦,傅里叶级数为 y(x,t) = Σ Aₙ sin(nπx/L) cos(2πfₙt + φₙ)。本模拟器中的「傅里叶合成」面板将振幅递减(Aₙ = 1/n)的谐波(n=1到所选模式)叠加,近似出三角形的拨弦形状。
弦长如何影响音高?
音高 f₁ ∝ 1/L,因此弦长减半会使频率翻倍(音高升高一个八度)。在吉他上,将弦按在品格上会缩短振动长度。第12品正好位于弦长的一半,产生八度音。品格位置遵循 2^(1/12) ≈ 1.0595——每个品格都以2的12次方根为因子缩短弦长,在十二平均律中使音高升高一个半音。
什么是线密度,它如何影响声音?
线密度 μ(千克/米)是弦单位长度的质量。在相同张力和长度下,更重的弦(更高的 μ)波速 v = √(T/μ) 更低,音高也更低。吉他弦使用不同的直径——低音 E 弦比高音 e 弦重得多——从而在保持可弹性所需张力范围的同时产生一系列音高。低音弦通常在弦芯外缠绕金属丝以增加 μ,而不会过度增加刚度。
吉他琴身如何放大声音?
弦本身辐射的声音非常少,因为它太细,无法有效推动空气。琴桥鞍座将弦的振动传递到面板(共鸣板),面板作为一个大得多的辐射面振动。琴身内的空气腔在亥姆霍兹频率 f_H = (c/2π)√(A/VL_neck) 处发生共振,其中 A 为音孔面积,V 为琴身容积,L_neck 为音孔颈长。对于标准吉他,f_H ≈ 100 Hz,增强低音响应。面板的克拉尼图形揭示了共鸣板支持哪些振动模式。
吉他音色和钢琴音色有什么区别?
吉他弦和钢琴弦都会产生泛音列,但它们的初始激励方式不同。钢琴音槌敲击弦时靠近一端(通常在弦长的1/7处),从而抑制第7次谐波——这是为了避免产生走音的刻意设计选择。拨动的吉他弦的频谱取决于你拨弦的位置:靠近音孔会产生饱满丰富的音色(许多谐波),靠近琴桥会产生明亮、鼻音般的音色(更高的谐波更强)。随后不同的衰减速率和琴身共振共同塑造了最终的音色。
吉他弦的波动方程是如何推导出来的?
在张力 T、线密度为 μ 的理想弦中,横向运动满足波动方程 ∂²y/∂t² = (T/μ)·∂²y/∂x²,其中 y(x,t) 是横向位移。这是一个二阶偏微分方程,其解是以速度 v = √(T/μ) 传播的正弦波。在固定边界条件 y(0,t) = y(L,t) = 0 下,允许的解是驻波 y_n = sin(nπx/L)·cos(2πf_n t),其中 f_n = nv/(2L)。真实弦还具有弯曲刚度,会使更高谐波的频率略微升高——这种效应称为非谐性,在粗重的钢琴低音弦中表现为轻微的走音感。
Adjust string tension, length and linear density to hear pitch change. Play harmonic modes n=1-8 individually or blend them by Fourier synthesis.
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