他們打造第一架國產(chǎn)“樂器之王”，難度超乎你想象

跳躍的音符、宏大的音量、優(yōu)美的音色、雄偉的氣勢……作為鍵盤樂器的“祖先”，距今已有2200多年歷史的管風(fēng)琴有“樂器之王”之稱。

然而自百余年前被引入中國后，這一古老樂器的國產(chǎn)化制作卻進(jìn)展緩慢。

2019年，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授王小虎注意到了這個問題，并開始承擔(dān)管風(fēng)琴的設(shè)計(jì)制作。2023年9月，他制作出了首架國產(chǎn)管風(fēng)琴。

一位機(jī)械教師，怎么跑去“搞音樂”了？

建了個工坊

王小虎是在讀大學(xué)時了解到管風(fēng)琴的。

是時，因?yàn)閷σ魳犯信d趣，他正在自學(xué)鋼琴。一次學(xué)術(shù)交流，王小虎所在的研究組來了一個德國課題團(tuán)隊(duì)。聊天時，他了解到其中一位科研人員在漫長的飛行旅途中，竟然靠一本琴譜消磨時間。

王小虎一聽，以為找到了在音樂上志同道合的伙伴，便邀請他到琴房“以音會友”，這位“同仁”卻介紹自己除做科研外，還是位管風(fēng)琴演奏家。

管風(fēng)琴？

得知王小虎對這種誕生于公元前3世紀(jì)的大型鍵盤樂器聞所未聞，這位德國學(xué)者立馬熱情地向他“科普”起來，還播放了演奏視頻。王小虎立馬被這個古典味十足、音色動人的“大家伙”吸引了。

管風(fēng)琴分為不同尺寸，有若干層鍵盤，還需要同時操控腳踏鍵盤，一般用于教堂和音樂廳。它能模仿管弦樂器效果、演奏豐富的和聲，效果不遜于一支管弦樂隊(duì)。

此事在王小虎的內(nèi)心埋下了一顆種子，他隨即到處尋找國內(nèi)可演奏的管風(fēng)琴，但數(shù)量卻很少，并且由于沒有實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，國內(nèi)的管風(fēng)琴全部依靠進(jìn)口。

“我了解到，管風(fēng)琴并不是一個工業(yè)化產(chǎn)品，而是定制化樂器?？梢哉f，世界上沒有兩臺管風(fēng)琴是一模一樣的。每架管風(fēng)琴都需要根據(jù)所在音樂廳的建筑設(shè)計(jì)、演奏需求、預(yù)算等“量身定做”，所以很難實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。”王小虎告訴《中國科學(xué)報》。

此外，管風(fēng)琴曾被喻為“人類設(shè)計(jì)和制造最復(fù)雜的機(jī)械”，從機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙到落地，都需要大量學(xué)科知識與施工經(jīng)驗(yàn)，其中需要加工的零部件達(dá)數(shù)千個，組裝過程也十分復(fù)雜。

從市場化需求到技術(shù)門檻，再到定制化難度，這些都影響著管風(fēng)琴的國產(chǎn)化進(jìn)程。

上學(xué)時的王小虎只能簡單了解相關(guān)背景，到大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工作后。主講“流體力學(xué)”課程的他，在授課時發(fā)現(xiàn)管風(fēng)琴和機(jī)械結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)等知識有著緊密關(guān)系。

“能不能動手做一個呢？”隨即，他發(fā)起成立了一個“雅頌風(fēng)琴”工坊，開始著手相關(guān)研究。但如此精密的制作，“單打獨(dú)斗”肯定難以完成。恰巧大連理工大學(xué)實(shí)施本科導(dǎo)師制，王小虎的3個學(xué)生對動手制作樂器也很感興趣，團(tuán)隊(duì)雛形便逐漸搭建了起來。

像玩“俄羅斯方塊”

有了基礎(chǔ)團(tuán)隊(duì)，王小虎開始組織學(xué)生運(yùn)用機(jī)械畫圖相關(guān)技巧繪制管風(fēng)琴的草圖，而由于難以找到完全用音管發(fā)聲的管風(fēng)琴，團(tuán)隊(duì)開始時只能從視頻或圖片出發(fā)，一點(diǎn)點(diǎn)繪制。

有時，他們五六天不分白天晝夜地設(shè)計(jì)出一份草圖，但由于存在許多機(jī)械搭建方面的問題，又必須全部擦掉重畫。

好在，學(xué)院對此大力支持，并將工坊落地在“機(jī)械工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”。王小虎將其運(yùn)營模式像學(xué)生社團(tuán)靠攏，發(fā)布“招賢公告”。越來越多的學(xué)生聽說此事后，紛紛加入其中。團(tuán)隊(duì)除了機(jī)械專業(yè)的學(xué)生外，還包括電信、化工等專業(yè)，建筑與藝術(shù)學(xué)院的學(xué)生還為管風(fēng)琴設(shè)計(jì)了國風(fēng)元素。

不到5個月時間，工坊完成了管風(fēng)琴設(shè)計(jì)圖的制作。進(jìn)展之順利讓王小虎信心滿滿，決心一年內(nèi)建成實(shí)體管風(fēng)琴，然而在落地過程中，問題卻紛至沓來。

“比如人有‘五臟六腑’，管風(fēng)琴也有幾個重要部分組成，音管是其中非常重要的部分，發(fā)聲的優(yōu)美與否主要取決于音管的品質(zhì)。”王小虎比喻道。

王小虎團(tuán)隊(duì)制作的小型管風(fēng)琴共有102根音管，相當(dāng)于102根通道，每根音管的制作都需要兩三天以上的時間。拿著做出來的音管，王小虎奔赴廈門、青島等地，拜訪了管風(fēng)琴方面的維護(hù)保養(yǎng)專家，和他們一聊就是一整天。

然而，當(dāng)音管被初步組裝完成，團(tuán)隊(duì)的學(xué)生為此歡喜雀躍時，王小虎卻發(fā)現(xiàn)，其中有一個音符聽起來不夠透亮。

剛組裝好的音管隨即被拆掉，經(jīng)過仔細(xì)排查，他們發(fā)現(xiàn)，問題出在為了加強(qiáng)氣密性，他們不小心將一個音管的出氣通道堵住了，雖然其余101個音管都能正常運(yùn)行，但這一個音管就會導(dǎo)致某個琴鍵發(fā)音較虛弱。

王小虎立刻對其進(jìn)行了調(diào)整，并逐一核實(shí)。舊的問題雖然排除，但下一個問題又來了，如此多的管子怎么塞進(jìn)一個長方形的箱體？

“管風(fēng)琴的空間相當(dāng)于一個桌子大小，要在其中將100多根音管完全塞入，需要設(shè)計(jì)得很緊湊。”每根音管長度不一，高音的音管不到10厘米，最低沉的音管卻達(dá)到1.4米，如何能正好拼裝進(jìn)去呢？

王小虎想到了小時候玩的俄羅斯方塊。不同長度的音管如果能折成不同造型，那正好可以拼裝到一起。他將最長的音管截成三段，拼湊成了C型，其他音管有的被拼成L型，有的則被對折，正好完整地塞進(jìn)了箱體里。

這些音管的材質(zhì)也各不相同，王小虎團(tuán)隊(duì)共選用了五種材質(zhì)制作。“比如高音的音管長度有的還不到半根鉛筆的長度，用木頭管拼湊較為困難，我們便想到了常見的竹子，于是買了不同直徑的毛筆桿進(jìn)行加工，管風(fēng)琴里面也響起了‘毛筆’的聲音。”

管風(fēng)琴拼成時，王小虎和學(xué)生們都很激動。很多學(xué)生不會彈奏樂器，但還是搜集了一些簡譜，在管風(fēng)琴上彈奏著“小星星”。

學(xué)科融合不是“生搬硬套”

幾年間，共有20余位學(xué)生加入“雅頌風(fēng)琴工坊”，并因此多了一個動手實(shí)踐的項(xiàng)目，王小虎覺得很值得。

“能直觀地把書本上的原理運(yùn)用到實(shí)際的制作中，還能有實(shí)際的產(chǎn)出。大家很有自豪感。”他說。

這架管風(fēng)琴的成功制作離不開“藝?yán)砣诤?rdquo;。從機(jī)械工程到樂器，看似跨度很大，但王小虎并不覺得兩者毫不相關(guān)。

“樂器是一種實(shí)實(shí)在在的載體，它并非憑空想象。就像管風(fēng)琴被稱作人類設(shè)計(jì)和制造的最復(fù)雜樂器，那它便離不開機(jī)械構(gòu)造，需要我們運(yùn)用各項(xiàng)‘看家本領(lǐng)’，比如大學(xué)物理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、流體力學(xué)、工程訓(xùn)練等。”王小虎告訴《中國科學(xué)報》，“這其中不僅涉及機(jī)械工程，還需要了解材料工程，懂一些美學(xué)設(shè)計(jì)等，多領(lǐng)域結(jié)合才能從零開始，制作一架小型管風(fēng)琴。這種融合既充滿樂趣，又充分調(diào)動了學(xué)生所學(xué)的知識，還順帶著了解了相關(guān)學(xué)科的基本原理，培養(yǎng)了他們創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。”

在他看來，學(xué)科融合不是‘生搬硬套’，而要有一定互通的基礎(chǔ)，載體至關(guān)重要。王小虎也很相信他的學(xué)生們，通過了解每個人所學(xué)的知識以及擅長方向，他將所需做的方向拆解分配下去，讓每個人都有適合的角色。

目前，雅頌風(fēng)琴工坊已經(jīng)與廣州市南沙區(qū)相關(guān)單位開展合作，在大灣區(qū)核心地帶建造國內(nèi)第一個由海浪驅(qū)動的海風(fēng)琴藝術(shù)裝置，該裝置通過一個水管連接大海和管風(fēng)琴，海浪涌動就會壓縮管內(nèi)的空氣，從而帶動管風(fēng)琴演奏“大海”的樂章。

未來如果有機(jī)會，王小虎還想在大連打造一架海風(fēng)琴，“很好奇大連的海會是什么樣的聲音”。