钢琴的工作原理：琴槌、琴弦、共鸣板与踏板

按下钢琴的一个琴键，你就启动了一连串约二十个机械零件的运动，最终以一个毡制琴槌击打琴弦并在琴弦开始振动之前立即弹回为结束。其他一切——你听到的声音、声音的消逝方式、踏板改变声音的方式——都源于这一个机械事件。

从琴键到琴弦：击弦机

钢琴击弦机是琴键与琴弦之间的杠杆系统。当你从前端按下琴键时，远端升起并向上推动一个称为顶杆座（wippen）的部件。顶杆座上有一个小型枢轴杠杆，称为顶杆（jack）（或逃逸顶杆）。顶杆座升起时，顶杆向上推动琴槌滚轮，将琴槌抛向琴弦。

从琴键到琴弦的击弦机链条。从前端按下琴键，顶杆座升起；顶杆座上的顶杆推动琴槌滚轮，将琴槌抛向琴弦。制音器静置于琴弦上，直至琴键将其抬起。

就在琴槌到达琴弦之前，顶杆趾碰触一个小型调节（让弓）按钮，迫使顶杆从琴槌滚轮下方转开。琴槌此时处于自由飞行状态——不再与任何部件相连。它击打琴弦后立即弹回，使琴弦自由振动，不会因琴槌停在其上而被压制。这种转动与释放就是逃逸机构（escapement），是钢琴的决定性机构。没有它，琴槌将抵在琴弦上并扼杀声音。

逃逸机构还使快速重复弹奏同一音符成为可能，因为顶杆可在琴键仍部分按下时复位。现代重复机构（Érard 1821年专利）增加了一个重复杠杆，在琴槌回程途中将其托住，使顶杆无需琴键完全抬起即可重新啮合。

琴槌

钢琴琴槌是将压缩毡固定在木质内芯上制成的。外层毡比内层毡更致密，这使琴槌在撞击时能略微压缩，在弱奏时产生更温暖的音色，在用力弹奏时产生更明亮、更硬朗的音色。随着时间推移，毡层在接触琴弦的位置会形成凹槽；技师定期对毡层进行针刺或整形以恢复音色。

最低音区的琴槌可达最高音区琴槌的两倍以上，因为低音琴弦更粗，需要更多能量才能有效振动。

琴槌击弦时的运动速度——由你按键的速度和力度决定——控制着音量，在一定程度上也影响音色。运动缓慢的琴槌轻柔地压缩毡层，产生柔软圆润的音色；运动迅速的琴槌对其压缩更多，产生更响亮明亮的音色。这就是为什么钢琴的全名是 pianoforte（意大利语："弱—强"）：与羽管键琴不同——羽管键琴无论触键如何都以固定力度拨弦——钢琴对演奏者的物理压力作出响应。琴槌在接触琴弦瞬间的速度是该乐器的主要表达变量。

制音器

在大多数琴弦上方、琴槌上方，排列着一排制音器（dampers）——带有毡垫的小型木块，紧压在琴弦上。当你按下琴键时，顶杆座机构同时抬起该音符的制音器，使其琴弦自由振动。松开琴键时，制音器落回，使该音符静音。

制音器静置于琴弦上（琴键抬起）和被抬起时（琴键按下）。毡垫使琴弦静音，直至按下琴键。按住琴键时，制音器保持抬起，琴弦自由振动。松开琴键使制音器落回琴弦上，停止振动。

钢琴最高音区约18个音符没有制音器，因为这些短弦自身能快速消散能量，无需制音器。这就是为什么即使不踩踏板，极高音区的音符也会短暂继续鸣响。这个范围以下的所有音——基本上除了最后一个半八度之外的整架钢琴——在松键时均受制音。

琴弦：音高、长度、张力与质量

拉紧的琴弦以由三个量决定的频率振动：其长度、其张力和其单位长度质量（本质上是其粗细程度）。这种关系由梅森定律给出：

弦长、张力和单位长度质量如何决定音高。越短的弦振动越快（音高越高）；单位长度质量越小意味着振动越快；张力越大音高越高。钢琴制造商在全音域范围内对三者均进行调整。

• 越短的弦振动越快→音高越高。
• 越细的弦（单位长度质量越小）振动越快→音高越高。
• 张力越大导致振动越快→音高越高。

钢琴琴弦以极高的张力绷紧——现代音乐会三角钢琴约有220根琴弦，合力约达20吨——因此乐器需要极其坚固的框架来承载。这个框架是一块铸铁板（也称为竖琴或框架），用螺栓固定在木质外壳上，承受几乎全部的琴弦张力。铸铁板通常被漆成金色，是打开盖板后最为醒目的内部部件。19世纪中叶全铸铁板问世之前，钢琴框架由铁条加固的木材制成，无法承受足够的张力以赋予乐器如今音乐会乐器所期望的力度与延音。由斯坦威及其他厂商在19世纪50至60年代完善的全铁框架使现代音乐会三角钢琴成为可能。

三角钢琴的铸铁板（竖琴），打开盖板后从上方俯视。弦轴固定琴弦的顶端；琴弦穿过铸铁板，经琴码延伸至远端固定钉。铸铁板承受几乎全部张力，使木质外壳能自由共鸣。

低音琴弦：单弦与缠弦

在低音区，单根钢弦若要以所需的低频振动，长度将长得不切实际。因此，琴弦采用铜缠绕：在细钢芯线上缠绕铜螺旋，在不加长弦长的情况下增加单位长度质量。低音弦始终是单弦——每个音符一根弦——比高音弦明显更粗更长。

普通高音弦（左）与铜缠绕低音弦（右）的横截面。铜绕大幅增加了单位长度质量，使低音符在乐器物理长度范围内得以安置，而无需将钢弦做到粗得不切实际的程度。

高音弦：双弦组与三弦组

中高音区每个音符使用多根琴弦。大多数中音音符使用两根调至同一音高的弦（双弦组），键盘上方三分之二通常使用三根弦（三弦组）。多根弦有两个作用：增大音量（更多弦面积辐射声音）并延长音符持续时间，因为各弦共享能量，每根弦比单弦损失能量更慢。

全音域范围内的琴弦分组。低音音符使用一根铜缠绕弦。中音音符使用同度双弦（双弦组）。高音音符使用同度三弦（三弦组）。一个音符的全部琴弦调至完全相同的音高，由一个琴槌同时击打。

单个音符的所有琴弦均调至相同音高，由一个琴槌同时击打，琴槌宽度恰好能同时接触所有琴弦。

共鸣板与琴码

单独振动的琴弦几乎听不见——其细小直径移动的空气太少。振动能量通过琴码（粘接在共鸣板顶面的一条硬枫木条）传递到共鸣板本身。

共鸣板是一块大型略微拱起的径切云杉面板，通常厚8至10毫米。选用云杉是因其出色的刚度重量比：它能轻易响应琴码的驱动力，同时具有足够的刚度以抵抗形变。由于表面积大，共鸣板移动的空气远多于单根琴弦，大幅放大声音。

振动路径。琴弦振动，通过琴码将能量传递至云杉共鸣板。共鸣板大面积高效地移动空气，产生可听声音。

共鸣板还塑造音色：共鸣板在不同频率下的特定共振为特定乐器的特色音色做出贡献。这就是为什么同一型号、同一工厂生产的两架音乐会三角钢琴，音色可能明显不同。共鸣板的轻微拱形——称为冠形（crown）——在制造过程中通过在压力下弯曲和粘合面板来形成。数十年后，随着木材松弛，冠形可能逐渐平坦，导致老化乐器音色的逐渐变化。粘接在共鸣板背面的横条控制冠形的分布以及振动在面板宽度上的传播。

调音：平均律

现代钢琴以平均律调音：八度被分成12个相等的半音，每个半音的频率比恰好为 2^(1/12) ≈ 1.0595。这意味着除八度以外的每个音程都是轻微的妥协——平均律中的纯五度比纯五度的3:2比例约窄2音分——但优势在于乐器在每个调中听起来同样协调，这在音乐开始在各调之间自由转调后至关重要。泛音列解释了为何纯音程是更简单的频率比，以及平均律为何近似但不能精确再现它们。

钢琴调音通过在弦轴处用调音锤调整每根琴弦的张力来完成。由于高音弦以极高张力绷紧，其实际振动频率因非调和性（inharmonicity）而略高于平均律值——弦的刚度使其高次泛音略偏高。熟练的钢琴调音师通过略微延展八度来补偿：乐器顶部调得比纯音略高，低音略低，使低音弦的泛音与高音弦的基音对齐。

钢琴调音中的八度延伸。完美的平均律调音（直线）会使低音弦的高次泛音与高音弦的基音相互拍击，因为非调和性使泛音偏高。调音师通过将低音调得略低于纯音、高音略高于纯音来补偿——这条曲线遵循乐器自身的非调和性特征。

三角钢琴与立式钢琴：两种琴槌复位方式

在三角钢琴中，琴槌从弦上方的横档水平悬挂（琴弦水平延伸，远离演奏者）。琴槌击弦后，重力将其拉回静止位置。这种方式快捷可靠，使重复机构能顺畅工作。

三角钢琴击弦机（左）：琴槌向上或向前击弦；重力使其复位。立式钢琴击弦机（右）：琴槌水平击弦；复位弹簧将其拉回。三角钢琴的重力复位更快，使重复杠杆能在高速下高效工作。

在立式钢琴中，琴弦垂直布置，琴槌水平击弦。重力无法使水平运动的琴槌复位；取而代之，复位弹簧（也称为牵引带与弹簧组件）在击弦后将每个琴槌拉回。弹簧复位可靠，但本质上比重力慢，这就是为什么立式钢琴击弦机不能像优质三角钢琴击弦机那样快速重复奏音。对于大多数家庭练习而言，这没有实际区别，但快速重复音（如拉威尔*Alborada del gracioso*中的重复音）在三角钢琴上更易控制。

三个踏板

现代三角钢琴有三个踏板。立式钢琴有时有两个，有时有三个，但中间踏板的功能往往不同。

三角钢琴的三个踏板。右侧：延音踏板，抬起所有制音器。中间：sostenuto，仅延续按下踏板时已被按住的音符。左侧：弱音踏板（una corda），将击弦机横向移位。

延音踏板（右）

延音踏板（也称制音器踏板或强音踏板）一次性抬起所有制音器。踩住时，你弹奏的每个音符在松键后继续鸣响，全钢琴未受制音的琴弦可与正在弹奏的音符发生共鸣。这种共鸣——未受制音的琴弦因与被击打音符共享能量而振动——是延音踏板为声音增添特有的绽放感与温暖感的来源。延音踏板的技法、时机与记谱在Tissimo博客的专门指南中有详细介绍。

弱音踏板（左）：三角钢琴的una corda

在三角钢琴上，左踏板是una corda踏板。踩下它，整个击弦机组件向右移动几毫米，使高音区的每个琴槌（其宽度足以同时接触三弦组的三根弦）仅击打其三根弦中的两根。琴槌还会接触毡层中比中央击弦区磨损较少、更柔软的部分，从而在改变音量的同时改变音色。综合效果是一种更安静、略带朦胧感的音色，其质感与不踩踏板的轻弹有所不同。

una corda（意大利语："一弦"）这个术语源于早期钢琴，其中一些移位幅度足以让琴槌只击打一根弦。在现代三角钢琴上，大部分音域都有三弦组，移位通常在高音区产生due corde（"两弦"）效果，而非真正的单弦接触。然而踏板名称沿用至今。

三角钢琴上的una corda踏板将击弦机横向移位，使每个琴槌少接触一根弦。在高音区（有三根弦的音符），这产生due corde（两弦）效果。

在立式钢琴上，左踏板的工作方式不同：它将琴槌向前移动，使其更靠近琴弦，减少琴槌击弦前的运动距离，从而限制击弦力度。这使音色变柔，但不像三角钢琴una corda移位那样改变音色。

sostenuto踏板（中间，三角钢琴）

sostenuto踏板是三者中最具选择性的。当你按住一个或多个琴键，然后踩下sostenuto时，钢琴内部会升起一根横杆，仅托住这些音符的制音器——即踩下踏板时已被抬起的制音器。这些制音器在踏板踩住时保持抬起，使这些特定音符延续。所有其他音符正常弹奏和消音。

这使得在用踏板维持一个低音音符或和弦的同时，在其上方以干净的消音弹奏其他内容成为可能——这是用延音踏板无法实现的效果，因为延音踏板会平等地抬起所有制音器。拉威尔的*Jeux d'eau*和德彪西的若干前奏曲使用sostenuto来维持持续低音，同时上方和声自由变化；在没有真正sostenuto的乐器上，通常用半踏板或仔细的重新踩踏作为近似替代。

sostenuto踏板仅托住踩下踏板时已被抬起的制音器。阴影处理的制音器保持抬起，使这些音符延续；所有其他制音器正常工作。

sostenuto踏板在立式钢琴上并不普遍。许多立式钢琴——尤其是为家庭使用设计的——中间踏板实为练习踏板（也称消音踏板）：它在所有琴槌与所有琴弦之间降下一条毡带，将音量大幅降低至轻微的沉闷声。这样可以在不打扰他人的情况下练琴，但音色变化如此之大，以至于不适合音乐演奏使用。一些欧洲立式钢琴只有两个踏板，完全省去了中间踏板。

综合以上：一个音符如何发声

当你按下琴键时，杠杆系统抬起顶杆座，顶杆将琴槌抛出，该音符的制音器升起。琴槌自由飞行（逃逸已脱开），击打一根或多根琴弦后弹回。琴弦以由其长度、张力和质量决定的音高振动，并通过琴码将振动传递到共鸣板，共鸣板将声音辐射到房间中。只要你按住琴键，制音器就保持抬起，音符延续。松开琴键，制音器落回，停止振动。

延音踏板增加了又一层：它独立于琴键将所有制音器保持抬起，使房间充满共鸣，声音在松键很久之后仍然回荡。弱音踏板在音源处改变音色，通过改变琴槌与琴弦的接触点。sostenuto踏板有选择地固定一组选定的低音，使其上方的一切自由运动。

那条链条——杠杆、逃逸机构、自由飞行的琴槌、琴弦、琴码、共鸣板——自巴托洛梅奥·克里斯托福里约1700年的第一批乐器以来基本上没有改变。改进在于细节：承载20吨琴弦张力的铸铁框架、重复杠杆的精密性、每个逃逸机构的精心调整、毡层的整音。机构是古老的；精密是现代的。

从按键到发声的完整链条。逃逸机构在接触琴弦前释放琴槌；琴弦通过琴码将能量传至共鸣板；制音器控制音符何时停止。踏板独立于琴键作用于制音器系统。

参考资料

• Piano — Wikipedia
• Piano action — Wikipedia
• Piano wire — Wikipedia
• Soundboard (music) — Wikipedia
• Piano pedals — Wikipedia
• Una corda — Wikipedia
• Sostenuto pedal — Wikipedia
• Equal temperament — Wikipedia
• Inharmonicity — Wikipedia
• Bartolomeo Cristofori — Wikipedia
• Mersenne's laws — Wikipedia
• Piano tuning — Wikipedia
• Piano — Encyclopaedia Britannica
• Why do the upper ~18 notes of my Kawai digital piano sustain without using the damper pedal? — Kawai