在几乎所有类型的现代音乐中，我们都能听到电吉他的声音。在一个吉他大师的手中，吉他的音色富有感染力，甚至可以和人声一样，而这都有赖于电吉他的演奏中的推弦（string bending）、点弦（tapping）、颤音（vibrato）和颤音杆（whammy bar）等技巧。然而，这些演奏技巧是如何让电吉他产生特殊音质的呢？ 英国牛津大学的大卫·罗伯特·格兰姆斯（David Robert Grimes）博士既是一位物理学家，同时也有着丰富的吉他演奏经验。最近，他利用物理学知识对吉他演奏中的技巧进行了分析。研究论文[1]于7月23日发表在《公共科学图书馆·综合》（PLOS ONE）上。果壳网对格兰姆斯博士进行了采访。
吉他是非常流行的乐器之一，不过与钢琴等乐器不同，吉他的演奏可以产生连续的音调，而不是分散的音阶。从物理学的角度来说，关于弦乐器，例如小提琴的音响学已经有了很详细的研究，而这些结果也同样适用于木吉他（acoustic guitar）。相比之下，对于电吉他（electric guitar）音响学的研究较少，并且都集中在电吉他拾音器的机电特性上，而关于其特殊音质和演奏技巧背后的物理学原理的研究并不多。
电吉他的构造。图片来源：jiataweb.com
格兰姆斯博士告诉我们，他玩音乐已经有好多年了。从15岁开始他就和别人组建乐队。作为一个专业的物理学家，他总喜欢把现实中的事物转化成物理学的公式来进行分析。对于自己在演奏电吉他时的物理过程他感到十分好奇，于是就进行了这项研究。
首先，他用公式推导出了推弦、颤音和颤音杆是如何改变音高的。他发现吉他弦本身的物理特性对音高的改变有很大影响，尤其是弦材料的杨氏模量（Young’s modulus）和弦粗度。另外，他还推导出了吉他弦与指板之间的距离对打弦（hammer-on）和拉弦（pull-on）所需力的大小的影响。（编者注：杨氏模量，弹性材料承受正向应力时会产生正向应变，在形变量没有超过对应材料的一定弹性限度时，定义正向应力与正向应变的比值为这种材料的杨氏模量。）
公式表示吉他弦的振动频率（音高）vB与振动弦的长度L、推弦产生的角度θ、弦的张力T、弦的横截面积（粗度）A以及弦材料的杨氏模量E之间的关系。图片来源：研究论文
随后，格兰姆斯博士用实验对这些公式进行了验证。他把跟随自己最久的一把吉他拿到实验室进行了改装。他在吉他的第12品位处加装了两个钉子，并将琴弦全部拆掉，只在第1弦和第6弦的位置用两根弦固定住弦枕，防止安装实验用琴弦的时候弦枕滑动。实验用琴弦被安装在第5弦的位置。琴弦在原位、挂在左边钉子和挂在右边钉子上时分别会产生0°、1.31°和1.94°的角。电吉他产生的声音经过调音器，再由不经处理的音响放出。音响上放置的麦克风会对声音进行采集，最后用Waves软件测量输出频率。
实验中经过改造的吉他。图片来源：研究论文
准备就绪后，他将不同尺寸的琴弦分别换到吉他上，调到它们的标准音高后，分别记录下空弦、在12品位压弦、以及将琴弦压在左右两个钉子位置上这四种情况下的音高。并将吉他弦剪成30厘米的小段测量其线性密度。最终，实验测得的数据带入公式计算出的杨氏模量与理论估计值相符，验证了格兰姆斯博士推导的公式的准确性。同时数据显示，音高随推弦角度的变化不是线性的。这说明小角度的推弦可以产生特殊的音质，然而一旦超过一定角度，就有可能对演奏的音高造成影响。
那么这些研究成果会对吉他的设计产生一些影响么？对于这个问题，格兰姆斯博士表示：“我认为吉他的设计应该不会发生大的变化。但是这次研究解释了为什么选一把好吉他，以及选择正确的吉他弦对演奏风格是十分重要的。演奏者从研究中可以了解到吉他弦的选择有多么重要。例如，如果他们想完成弧度较大的‘推弦’，那么就应该避免选择过硬或是过粗的弦。”
格兰姆斯博士示范推弦（上）和颤音（下）。视频来源：研究论文
在谈到他最喜欢的吉他手时，格兰姆斯博士告诉我们：“我喜欢Queen的主音吉他手布莱恩·梅（Brian May）、The Mothers of Invention的吉他手弗兰克·扎帕（Frank Zappa）、 Led Zeppelin的吉他手吉米·佩奇（Jimmy Page），还有流行音乐史中最重要的电吉他演奏者吉米·亨德里克斯（Jimi Hendrix）、 Van Halen的灵魂人物艾迪·范·海伦（Eddie Van Halen）以及Pink Floyd的吉他手兼主唱大卫·吉尔摩（Dave Gilmour）等等。”（编辑：球藻怪）
参考文献：
- String Theory - The Physics of String-Bending and Other Electric Guitar Techniques David Robert Grimes Published: July 23, 2014 DOI: 10.1371/journal.pone.0102088