当你拨动吉他的琴弦，你听到的不仅仅是音乐，背后还藏着一套美妙的物理世界。本文将带你从物理的视角，重新认识手中的这把吉他。

1. 声音是一种机械波

声波是一种机械波，由物体（声源）振动，带动周围介质（通常是空气）产生疏密交替的振荡，从而向外传播能量。机械波的传播依赖介质，这也是为什么真空中无法传播声音。

吉他的发声原理如下图所示：拨动琴弦产生机械振动，振动通过弦枕和琴桥传递给面板（本文提到的面板若无特殊说明，均指正面板，即音孔所在的那一面）；面板的振动挤压箱体内的空气，带动空气振动，向外辐射声波。

最基本的声波是由简谐振动（详见第 2 节）产生的正弦波。传统乐器一般依靠简谐振动发声——琴弦、簧片、鼓面等皆如此——因此发出的也是以正弦波为基础的复合声波。

根据能量守恒定律，从拨弦到发出响亮的声音，整个过程都是能量的转换：你弹指之间的动能，经由弦、面板、空气，最终转化为向四周传播的声能。原声吉他并无外接电源，所有声音能量都来自你手指拨弦的那一刻。

2. 吉他弦的振动是一种简谐振动

简谐振动是最简单的一种机械振动。当物体做简谐运动时，所受合外力与位移成正比，且方向始终指向平衡位置，即：

F = -kx

其中 k 为弹性恢复力系数，x 为偏离平衡位置的位移，负号表示力始终指向平衡位置。

在靠近音孔的弦中部位置拨弦，弦的运动与简谐振动非常相似：用力越大，弦在垂直方向的振幅就越大，发出的声音也越响。振幅决定响度，频率决定音高，这是理解吉他声学的两个关键维度。

小知识： 吉他的六根琴弦粗细不同，越细的弦振动频率越高，音调越高；越粗的弦振动频率越低，音调越低。调弦时拧紧弦钉会增大张力，从而提高频率（音调变高），这也是简谐振动频率公式的直接体现。

3. 拨动琴弦的声音等于基音和多个泛音的叠加

以某个固定频率进行简谐振动所产生的声波称为纯音，但现实中几乎不存在绝对的纯音（音叉是比较接近纯音的例子）。单独拨响吉他的一根琴弦，发出的声响并非纯音，而是基音与多个泛音叠加而成的复合音。

基波与谐波

我们将频率最低、振幅最大的那个正弦波称为基波，其对应的频率称为基频，在音乐中即为该音的音高。频率是基频整数倍的波称为谐波（音乐中称为"泛音"）：

• 二次谐波：频率为基频的 2 倍（高八度）
• 三次谐波：频率为基频的 3 倍
• 四次谐波：频率为基频的 4 倍（高两个八度）
• ……

下图展示了基波及其各次谐波的频率分布：

声波叠加

所有传统乐器发出的音都是复合音：由振幅最大的基波，加上一系列振幅依次递减的谐波叠加而成。下图展示了这种叠加关系——最上方为基波，依次向下为二次谐波、三次谐波等，最下方为叠加后的实际波形：

因此，单音可以定义为：单一乐器演奏独立一个音所发出的声波，是基波与一系列谐波叠加后的复合音，其基波频率即为该音的音高。

不同乐器演奏同一音高时，谐波的数量及各次谐波的振幅比例各不相同——这正是造成钢琴、吉他、小提琴音色各异的根本原因，也就是我们所说的音色（Timbre）。

4. 吉他泛音技巧的原理

在许多精彩的吉他演奏视频中，我们常能听到一种格外干净、空灵的音色——那便是泛音（Harmonic）。泛音背后的物理原理究竟是什么？

驻波与波节

当我们拨弦时，琴弦上会形成驻波。驻波由两列频率相同、振幅相同但传播方向相反的行波叠加产生，其特征是存在若干振幅始终为零的点，称为波节（Node），以及振幅最大的点，称为波腹（Antinode）。

• 基波（一阶驻波）：整根弦为半个波长，两端固定为波节，弦的中点为波腹；
• 二次谐波（二阶驻波）：弦长等于一个完整波长，弦的中点（1/2 处）也是波节。

如上图，二次谐波的波节恰在弦长的 1/2 处，对应吉他的 12 品。在 12 品柱上轻触琴弦（不按下）拨弦后立即抬起，便消去了基波及其他在此处无波节的谐波，只留下以 12 品为波节的二次谐波，产生高八度的泛音。

如上图，四次谐波（高两个八度）的波节在弦长的 1/4 处，对应吉他的 5 品（也可以在 24 品 处找到同样的效果）。按照相同的原理，你能找出其他的泛音点吗？

人工泛音

除了上述自然泛音，还有一种称为人工泛音的进阶技巧：左手按住某品格，右手食指轻触该品格往高 12 品的位置，由大拇指或无名指拨弦——这样可以在任意音高上制造出高八度的泛音，极大地丰富了吉他的音色表达空间。

5. 坚强的吉他面板

吉他制造者们早就知道，面板是吉他最重要的组成部分。事实上，一些高档原声吉他的背板和侧板可以使用复合材料，但面板必须选用最优质的实木。这也是为什么"面单"吉他（仅面板为实木单板）的性价比往往高于"全单"——升级的关键在于面板。

强度与重量的极限挑战

每根琴弦需要承受约 7～9 千克的张力，六根弦合计高达 40～50 千克的总拉力——相当于在吉他面板上悬挂了一袋混凝土！在这种长期拉力下，面板必须同时满足两个看似矛盾的要求：

• 足够坚固：能长期承受琴弦的巨大张力而不变形开裂；
• 足够轻薄：只有薄而轻的面板才能自由振动，充分放大共鸣，产生丰富饱满的音色。

木材的选择与音梁设计

为此，制琴师通常选用生长缓慢的云杉（Spruce）或雪松（Cedar）来制作面板，因为这两种木材的强度重量比（Strength-to-Weight Ratio）在所有木材中最为出色。

此外，面板内侧还会粘贴若干根音梁（Bracing），以进一步加强结构并调控振动模式。不同的音梁设计方案带来截然不同的音色风格：

• X 型音梁（X-bracing）：钢弦吉他的主流方案，平衡性强；
• 扇形音梁（Fan bracing）：古典吉他的传统方案，更灵敏、细腻；
• 格子音梁（Lattice bracing）：现代高性能古典吉他常用，响度极大。

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本文于2019年，我在做C大调音乐网期间整理，重新发表在这个新博客上，仅作记录。