Статистика негармоничности струн и растяжки строя фортепиано (2026): более 40 показателей о коэффициентах негармоничности, растяжке октав и стабильности строя

Негармоничность и растяжка строя фортепиано 2026: басовые струны пианино достигают B = 0,001, примерно в десять раз больше 0,0001 большого рояля (Acta Acustica 2021).

У пианино коэффициент негармоничности B самых низких струн может достигать 10⁻³, тогда как у большого рояля он остаётся около 10⁻⁴, то есть различие примерно в десять раз (Dalmont, Acta Acustica 2021). Это одно из самых наглядных измеренных различий между малыми и большими инструментами. Слух добавляет собственное смещение: 36 музыкантов выставили октаву шире на 7,835 цента на ноте A4 и на 23,920 цента на ноте A6 (Jaatinen, Pätynen и Alho, JASA 2019), а негармоничные парциалы заставляли низкие тоны фортепиано звучать примерно на два с половиной полутона выше для жюри из 21 слушателя (Anderson и Strong, JASA 2005). Строй тоже не стоит на месте: год концертов сдвинул верхнюю октаву одного рояля до 10 центов (Plath, ISMA 2019). Этот обзор посвящён физике струн, а не рынку фортепиано, который отслеживает наш обзор статистики рынка фортепиано. Мы свели данные из Журнала Акустического общества Америки (JASA), Acta Acustica, цикла лекций Королевской шведской музыкальной академии по акустике фортепиано, Piano Technicians Guild, USDA Forest Products Laboratory и рецензируемых исследований восприятия в Communications Psychology и Hearing Research.

Сначала несколько терминов простым языком. Парциал - это один из обертонов, которые струна издаёт выше своей самой низкой частоты (основного тона). Негармоничность означает, что эти парциалы оказываются всё выше точных целых кратных, потому что стальная проволока жёсткая, а не идеально гибкая. Коэффициент негармоничности B измеряет силу этого эффекта для одной струны: в стандартной модели парциал n находится на частоте, равной n основным частотам, умноженным на квадратный корень из (1 + Bn²) (Gràcia и Sanz-Perela, Reports@SCM 2017). Цент - это одна сотая полутона (Hinrichsen, Revista Brasileira de Ensino de Física 2012). Растянутый строй означает настройку баса чуть ниже, а верхнего регистра чуть выше математически равномерной темперации.

Кратко (TL;DR)

  • B близок к 10⁻⁴ у самых низких струн большого рояля, но может достигать 10⁻³ у пианино (Dalmont, Acta Acustica 2021).
  • Негармоничность наименьшая в двух октавах ниже средней до (Schuck и Young, JASA 1943).
  • B меняется на 5-18% между большинством соседних струн в изученном высоком верхнем регистре (Applied Sciences, «Автоматическая настройка высоких тонов фортепиано», 2020).
  • Музыканты расширяли октаву на 7,835 цента на ноте A4 и на 23,920 цента на ноте A6 (Jaatinen, Pätynen и Alho, JASA 2019).
  • Негармоничные парциалы повышали воспринимаемую высоту низких тонов фортепиано примерно на два с половиной полутона (Anderson и Strong, JASA 2005).
  • Сжатая расстройка обнаруживалась лучше, чем растянутая, у 101 слушателя, F1,100 = 228,87, p < 0,001 (Madsen и Oxenham, Communications Psychology 2024).
  • Продольные колебания струн были слышны в слепых тестах вплоть до ноты C5 (Bank и Lehtonen, JASA 2010).
  • Современный концертный рояль несёт около 210 000 Н суммарной нагрузки струн (Conklin, «Пять лекций по акустике фортепиано», 1990).
  • Стальная фортепианная проволока не показывает значимого прироста предела прочности на растяжение с конца XIX века (Giordano, ASA, 161-е заседание, 2011).
  • Самая высокая октава одного концертного рояля сдвинулась до 10 центов за год примерно из 40 концертов (Plath, ISMA 2019).
  • Древесина удерживает 4,5% влаги при относительной влажности 20% и 16,0% при 80%, при 70 °F (USDA Forest Products Laboratory, Wood Handbook 2021).

1. Негармоничность по всей клавиатуре

Коэффициент B не является единым свойством «фортепиано»: он охватывает два порядка величины, от примерно 10⁻⁴ в середине клавиатуры до примерно 10⁻² для самых высоких нот. Спокойная зона - это тенор: Schuck и Young обнаружили, что негармоничность наименьшая в двух октавах ниже средней до и что повышение парциалов растёт примерно пропорционально квадрату номера парциала (Schuck и Young, JASA 1943).

Чтобы показать, что закон квадрата означает на практике, приведём наш собственный расчёт по стандартной формуле: при B = 10⁻⁴ 10-й парциал завышен в число раз, равное квадратному корню из 1,01, то есть на 1200 × log2(√1,01) ≈ 8,6 цента. При B = 10⁻³ тот же парциал завышен на 1200 × log2(√1,1) ≈ 82,5 цента, почти на полутон. Этот разрыв - сырьё, с которым приходится работать настройщикам.

ПоказательЗначениеИсточник
Коэффициент негармоничности B, струны в середине клавиатуры и самые высокие нотыПорядок 10⁻⁴ (0,0001) и порядок 10⁻² (0,01)Dalmont, Acta Acustica 2021
Регистр с наименьшей негармоничностьюДве октавы ниже средней доSchuck и Young, JASA 1943
Как растёт повышение парциалов с номером парциалаПримерно пропорционально квадрату номера модыSchuck и Young, JASA 1943
Наибольший сдвиг парциала, зафиксированный в этом исследовании (одна струна)15-й парциал примерно на частоте 16-й гармоникиSchuck и Young, JASA 1943
Изменение B между соседними струнами, большинство пар струн в изученном высоком верхнем регистре5-18%Applied Sciences, «Автоматическая настройка высоких тонов фортепиано», 2020
Изменение B при изменении частоты струны на 3%6%Applied Sciences, «Автоматическая настройка высоких тонов фортепиано», 2020

Скачок на 5-18% между соседями важен для автоматической настройки: верхний регистр нельзя настроить по одному глобальному значению B (Applied Sciences, Automatic Tuning of High Piano Tones 2020). Самые свежие доступные данные: измерения Schuck и Young относятся к 1943 году и остаются эталоном для картины по регистрам.

2. Рояль и пианино: басовые струны и размер инструмента

Размер проявляется прежде всего в басу. Самые низкие струны пианино могут достигать B = 10⁻³ против примерно 10⁻⁴ у большого рояля (Dalmont, Acta Acustica 2021), и в статье отмечено, что проблема особенно выражена у пианино со струнами длиной около 1 м. У пианино Yamaha C109, измеренного в этом исследовании, B неуклонно снижался с 4,5×10⁻⁴ на ноте Bb−1 по нумерации статьи до 3,2×10⁻⁴ на её ноте G0. В статье используется французская нумерация октав, в которой номера октав на единицу меньше, чем в научной системе, так что Bb−1 - это вторая клавиша от нижнего края.

То же исследование показывает, что проблему баса можно снизить конструктивно: небольшие грузы, закреплённые около конца каждой басовой струны с обмоткой, довели средний B до 1,85×10⁻⁴, значения, более близкого к большому роялю. Но размер - это не вся история. Wogram и Mori обнаружили, что три струны одной ноты могут различаться по негармоничности сильнее, чем рояль и пианино между собой (Wogram и Mori, ASA, 146-е заседание, 2003).

ПоказательЗначениеИсточник
B самых низких струн, большой рояль и пианиноОколо 10⁻⁴ и до 10⁻³Dalmont, Acta Acustica 2021
Измеренный B, пианино Yamaha C109, от ноты Bb−1 статьи до её ноты G0Снижается с 4,5×10⁻⁴ до 3,2×10⁻⁴Dalmont, Acta Acustica 2021
Средний B тех же басовых струн после закрепления небольших грузов около их концов1,85×10⁻⁴Dalmont, Acta Acustica 2021
Различие негармоничности между 3 струнами одной ноты и между роялем и пианиноВнутри ноты может быть больше, чем между двумя инструментамиWogram и Mori, ASA, 146-е заседание, 2003
Суммарный уровень звука, рояль и пианино в одном сравненииРояль примерно на 2 дБ громчеWogram и Mori, ASA, 146-е заседание, 2003
Диапазон B для фортепианных струн в опубликованной модели настройкиот 0,0004 до 0,002Gràcia и Sanz-Perela, Reports@SCM 2017

Примечание к контексту: Gràcia и Sanz-Perela описывают B как «около 10⁻³» для фортепианных струн в целом (Reports@SCM 2017), и эта цифра в сопоставлении с измеренными значениями выше соответствует басу малых инструментов, а не середине рояля. Самые свежие доступные данные: Acta Acustica 2021.

3. Растяжка Railsback и субъективная октава

Кривая Railsback - это усреднённая растяжка, которую создают опытные мастера, и Giordano показал, что модель сенсорного диссонанса, построенная на измеренных спектрах фортепиано, её предсказывает (Giordano, JASA 2015). Более новый тест пошёл дальше: 15 настройщиков фортепиано и 18 оркестровых музыкантов настраивали синтезированные тоны, сохранявшие реальную негармоничность Steinway D, и получившаяся клавиатурная кривая напоминала кривую Railsback, с оставшимся различием F(1,16) = 16,05, p < 0,01, наибольшим ниже A1 (Jaatinen и Pätynen, JASA 2022).

Растяжка - не только привычка фортепиано. С тонами оркестровых инструментов вместо тонов фортепиано 36 музыкантов всё равно расширяли октаву, причём расширение росло в верхнем регистре, от 7,835 цента на ноте A4 до 23,920 цента на ноте A6 (Jaatinen, Pätynen и Alho, JASA 2019). Физика фортепиано и предпочтения слуха указывают в одну сторону, поэтому настройщики редко борются с растяжкой.

ПоказательЗначениеИсточник
Расширение октавы, выбранное слушателями сверх точного соотношения 2:1, на A4 и на A67,835 цента и 23,920 цента (оба p < 0,001)Jaatinen, Pätynen и Alho, JASA 2019
Средний наклон растяжки в среднем регистре7,82 цента на октавуJaatinen, Pätynen и Alho, JASA 2019
Различие между кривой настройки по реальным тонам Steinway D и кривой RailsbackF(1,16) = 16,05, p < 0,01, наибольшее ниже A1Jaatinen и Pätynen, JASA 2022
Наименьшая разница высоты, которую слушатели способны заметить (разностный порог), в зависимости от частоты и громкостиВсего 10 центовGràcia и Sanz-Perela, Reports@SCM 2017
Шаги высоты в методе автоматической настройки на основе энтропии±1 цент на шаг, на спектрах, сгруппированных в единицах по 1 центуHinrichsen, Revista Brasileira de Ensino de Física 2012
Инструменты, на которых метод энтропии был проверен к моменту публикации1 пианиноHinrichsen, Revista Brasileira de Ensino de Física 2012

Примечание о нетипичных данных: в оркестровом исследовании использовались флейты, язычковые, медные и струнные инструменты вместо фортепиано, поэтому его цифры описывают предпочтения слуха, а не негармоничность фортепиано. Его авторы отмечают, что их кривая немного отличается от кривой Railsback и типичной настройки Steinway D, но следует тому же тренду. Метод энтропии Hinrichsen воспроизвёл растяжку настройки на слух на одном пианино (Hinrichsen 2012), поэтому его следует считать подтверждением концепции.

4. Как слушатели воспринимают негармоничность и расстройку

Негармоничность меняет не только строй, но и воспринимаемую высоту. Жюри из 21 слушателя воспринимало негармоничные низкие тоны фортепиано примерно на два с половиной полутона выше, чем гармоничные версии, а на более высоких основных тонах разница сокращалась примерно до одной восьмой полутона (Anderson и Strong, JASA 2005). Настройщик слышит реальную струну, а не учебниковую.

Слух к тому же асимметричен. У 101 участника расстройка в 50 центов в сторону сжатия обнаруживалась значимо лучше, чем такая же расстройка в сторону растяжения (Madsen и Oxenham, Communications Psychology 2024). Это согласуется с растяжкой: ошибки на широкой стороне заметить труднее всего. Здесь слух важнее возраста, как показало последующее исследование с 91 участником (Madsen et al., Hearing Research 2025), и этот вывод связан с нашей статистикой потери слуха у музыкантов. О том, насколько точно певцы и модели синтеза попадают в высоту в центах, см. нашу статистику точности высоты при синтезе певческого голоса.

ПоказательЗначениеИсточник
Повышение высоты из-за негармоничных парциалов, самые низкие проверенные основные тоны (21 слушатель)Около двух с половиной полутоновAnderson и Strong, JASA 2005
Повышение высоты из-за негармоничных парциалов, более высокие проверенные основные тоныОколо одной восьмой полутонаAnderson и Strong, JASA 2005
Обнаружение сжатой и растянутой расстройки в 50 центов (101 участник)Сжатая обнаруживалась значимо лучше, F1,100 = 228,87, p < 0,001Madsen и Oxenham, Communications Psychology 2024
Крупнейший отдельный эксперимент в этой серии по расстройке160 участниковMadsen и Oxenham, Communications Psychology 2024
Фактор, связанный с худшим восприятием расстройки (91 участник)Потеря слуха, но не возрастMadsen et al., Hearing Research 2025
Самая высокая нота, на которой продольные колебания струн были слышны в ABX-тестах (два рояля, одно пианино)C5Bank и Lehtonen, JASA 2010
Изменение высоты только из-за смены начальных фаз парциалов, басовые тоны A0 (27,5 Гц, 100 парциалов)Октава, квинта или большая терцияGalembo, Askenfelt, Cuddy и Russo, JASA 2001

Примечание к контексту: продольные колебания - это растяжения вдоль длины струны, а не боковое движение, определяющее высоту, а ABX-тест - это слепое сравнение, в котором слушатели говорят, какой из двух версий соответствует третий образец. Bank и Lehtonen сочли эффект едва заметным между A3 и C5 (Bank и Lehtonen, JASA 2010), тогда как в глубоком басу одни лишь фазовые соотношения могут сдвигать воспринимаемую высоту на большие интервалы (Galembo et al., JASA 2001).

5. Натяжение струн, проволока и мензура

В фортепианном строении «мензура» - это не музыкальная гамма, а проектная таблица длин, диаметров и натяжений струн. Её центральная цифра - тяга: современная фортепианная струна тянет в среднем с силой около 830 Н, почти в 12 раз больше 70 Н у струны фортепиано Кристофори 1720 года (наше отношение: 830 ÷ 70 ≈ 11,9), а полная нагрузка концертного рояля длиной 9 футов (274 см) составляет около 210 000 Н (Conklin, «Чугунная рама», «Пять лекций по акустике фортепиано», 1990). Чугунная рама, выдерживающая эту нагрузку, весит от 160 до 180 кг у концертного рояля.

Проволока задаёт потолок натяжения. Стальная проволока для музыкальных инструментов прибавила около 30% предела прочности на растяжение между 1850 и 1900 годами и не показывает значимого улучшения с конца XIX века, так что пределы, с которыми сталкивался конструктор в 2011 году, были теми же, что и в 1900-м (Giordano, ASA, 161-е заседание, 2011).

ПоказательЗначениеИсточник
Средняя тяга на струну, фортепиано Кристофори 1720 года и современное фортепианоОколо 70 Н и около 830 НConklin, «Пять лекций по акустике фортепиано», 1990
Суммарная нагрузка струн, Кристофори 1720 года и современный концертный рояльОколо 7 500 Н и около 210 000 Н (47 000 фунтов-силы)Conklin, «Пять лекций по акустике фортепиано», 1990
Вес чугунной рамы концертного рояляот 160 до 180 кгConklin, «Пять лекций по акустике фортепиано», 1990
Натяжение басовых струн на клавишах с 11 по 20 рояля длиной 161 см, на трёх экспериментальных наборах струнот 831 Н до 1 131 НChoi, Yoon, Kim и Sung, Сеульский национальный университет, 2002
Прирост предела прочности стальной фортепианной проволоки, 1850-1900 годы и с конца XIX векаОколо 30% и отсутствие значимого улучшенияGiordano, ASA, 161-е заседание, 2011
Число струн в типичном фортепианоПримерно 220Piano Technicians Guild, Технический бюллетень 1 (пересмотрен в 1994 году)
Самый низкий резонанс деки испытательного фортепиано, струны под настроечным натяжением и полностью ослабленное натяжениеСмещается со 115 Гц до 90 ГцWogram, «Пять лекций по акустике фортепиано», 1990

Примечание к контексту: натяжения из работы Choi et al. получены на одном рояле длиной 161 см, оснащённом тремя разными наборами басовых струн для эксперимента по негармоничности (Choi et al. 2002). Wogram обнаружил, что резонансы выше 200 Гц практически не зависят от натяжения струн (Wogram 1990). Самые свежие доступные данные: 1990-2011 годы.

6. Стабильность строя, влажность и дрейф

Дека - это тонкая деревянная панель с лёгким выгибом вверх, который называют выпуклостью, и влажность меняет этот выгиб. Когда дека разбухает, выпуклость сильнее прижимает мост к струнам, и высота повышается, особенно в средних октавах (Piano Technicians Guild, Humidity Control). Целевой показатель гильдии для климатических систем внутри фортепиано - относительная влажность 42%. Данные по древесине объясняют причину: при 70 °F древесина приходит к влагосодержанию 4,5% при относительной влажности 20% и к 16,0% при 80% (USDA Forest Products Laboratory, Wood Handbook 2021), а ситкинская ель (Picea sitchensis) при полном высыхании усыхает на 7,5% в тангенциальном направлении, но лишь на 4,3% в радиальном.

Измеренный дрейф на одном концертном инструменте был умеренным. Спустя год и около 40 концертов строй одного концертного рояля сдвинулся примерно на 2,5 цента в средней части диапазона и до 10 центов в самой высокой октаве, тогда как басовые клавиши с 1 по 20 не показали измеримых изменений, кроме трёх выбросов (Plath, ISMA 2019).

ПоказательЗначениеИсточник
Отклонение строя через год и около 40 концертов, средняя часть диапазонаОколо 2,5 центаPlath, ISMA 2019
Отклонение строя через год и около 40 концертов, самая высокая октаваДо 10 центовPlath, ISMA 2019
Отклонение строя через год, басовые клавиши с 1 по 20Измеримой разницы нет, кроме трёх выбросовPlath, ISMA 2019
Разница выпуклости деки между двумя датами измерения1 ± 0,5 ммPlath, ISMA 2019
Рекомендуемая относительная влажность внутри фортепиано для систем климат-контроля42%Piano Technicians Guild, «Контроль влажности»
Рекомендуемая частота настройкиот 3 до 4 настроек в первый год, не менее 2 в год после этогоPiano Technicians Guild, Технический бюллетень 1 (пересмотрен в 1994 году)
Равновесное влагосодержание древесины при 70 °F, относительная влажность 20% и 80%4,5% и 16,0%USDA Forest Products Laboratory, Wood Handbook 2021
Усушка ситкинской ели от свежего до абсолютно сухого состояния, радиальная и тангенциальная4,3% и 7,5%USDA Forest Products Laboratory, Wood Handbook 2021

Примечание к контексту: концертный зал в этом исследовании отапливается осенью и зимой, что снижает относительную влажность до 20% в крайнем случае, а оба измерения были проведены зимой, поэтому годовой размах выпуклости, достигающий нескольких миллиметров, не был зафиксирован. Рекомендации гильдии по частоте настройки взяты из её бюллетеня о подъёме строя (PTG Technical Bulletin 1). Равновесное влагосодержание - это уровень влаги, при котором древесина при заданной влажности воздуха не набирает и не теряет воду. Самые свежие доступные данные: исследование дрейфа 2019 года охватывает один инструмент.

Итоги: негармоничность струн и растяжка строя фортепиано в цифрах

ПоказательЗначениеИсточник
B самых низких струн, большой рояль и пианиноОколо 10⁻⁴ и до 10⁻³Dalmont, Acta Acustica 2021
Регистр с наименьшей негармоничностьюДве октавы ниже средней доSchuck и Young, JASA 1943
Изменение B между соседними струнами высокого верхнего регистра5-18%Applied Sciences 2020
Разброс негармоничности среди 3 струн одной нотыМожет превышать различие между роялем и пианиноWogram и Mori, ASA 2003
Расширение октавы, выбранное слушателями, A4 и A67,835 цента и 23,920 центаJaatinen, Pätynen и Alho, JASA 2019
Кривая настройки с реальной негармоничностью и кривая RailsbackF(1,16) = 16,05, p < 0,01Jaatinen и Pätynen, JASA 2022
Наименьшая заметная разница высотыВсего 10 центовGràcia и Sanz-Perela, Reports@SCM 2017
Повышение высоты из-за негармоничных парциалов, самые низкие тоныОколо двух с половиной полутоновAnderson и Strong, JASA 2005
Обнаружение сжатой и растянутой расстройки в 50 центовСжатая обнаруживалась лучше, F1,100 = 228,87, p < 0,001Madsen и Oxenham, Communications Psychology 2024
Восприятие расстройки, 91 участникСвязано с потерей слуха, а не с возрастомMadsen et al., Hearing Research 2025
Слышимые продольные колебания струнДо C5Bank и Lehtonen, JASA 2010
Изменение высоты только из-за фаз парциалов, тоны A0Октава, квинта или большая терцияGalembo et al., JASA 2001
Суммарная нагрузка струн, современный концертный рояльОколо 210 000 НConklin 1990
Натяжение басовых струн, рояль длиной 161 смот 831 Н до 1 131 НChoi et al. 2002
Прирост предела прочности стальной проволоки, 1850-1900 годыОколо 30%Giordano, ASA 2011
Дрейф строя после года концертов, средняя часть диапазона и верхняя октаваОколо 2,5 цента и до 10 центовPlath, ISMA 2019
Рекомендуемая относительная влажность внутри фортепиано42%Piano Technicians Guild
Влагосодержание древесины при относительной влажности 20% и 80% (70 °F)4,5% и 16,0%USDA Wood Handbook 2021

Методология и источники

Мы провели целевые поиски по измерению негармоничности, растяжке Railsback, восприятию октав, натяжению струн и мензуре, а также дрейфу под действием влажности, после чего прочитали каждую цифру в первичном документе (статья, лекция, профессиональное руководство или правительственный справочник). Цифры из фрагментов поисковой выдачи, сообщения с форумов и блоги настройщиков были исключены. Это тема измерений, поэтому большая часть данных старше трёх лет: физика стальных струн не стареет, но в каждом разделе указаны самые свежие доступные данные.

Последнее обновление: 7 ноября 2026 года. Мы обновляем этот обзор ежеквартально, и следующее обновление ожидается, когда Журнал Акустического общества Америки (JASA) опубликует новые работы по акустике фортепиано.

Попробуй VoxBooster — 3 дня бесплатно.

Клонирование голоса в реальном времени, саундборд и эффекты — везде, где ты говоришь.

  • Без карты
  • ~30 мс задержки
  • Discord · Teams · OBS
Попробовать 3 дня бесплатно