テーマNo.2016
楽器作り と 材料
著者： 永井洋平
１．楽器の形状と材質
良い楽器を作るためには材料が重要である、と耳にすることは多い。では、その重要さをどのように理解すべきなのだろうか、どんな楽器のどこの部分が特に重要なのか、改良の余地はあるのか、などを科学的に考えてみよう。
楽器を作るということは他の工業製品と同様、その実体すなわちハードウエアを作ることでありそのために形状および材質を設定することになる。「形状」は寸法的に表現できるすべての要因であり表面粗さなども含ませるよう広義に解釈すべきである。「材質」とは元素成分比、熱処理、表面処理など実体を構成している部材の性質要因のすべてである。すなわち形状との組み合わせでその材質の適不適が論じられるべきであることは当然である。たとえばピアノの響板は伝統的には木目のそろったスプルース（トウヒ材、松科針葉樹）で作ることが良いとされているが、それを鉄板では決して作れないのかという問題を考えてみよう。鉄板の寸法、厚さ分布、曲げ方、反らせ方、周辺固定の方法、駒や付加部品との複合構成など、あらゆる組み合わせを工夫して作っていけば鉄板を使ってもスプルース響板に劣らぬものが出来る可能性は少なくないだろう。従って鉄板ではピアノ響板は作れないと結論するのは早計である。ある材料がある楽器用には絶対に不可欠であるという見解はその他の多くの要因を従来見られる範囲に限った条件でのみ言えることである。
材料に着目した楽器の開発事例として著者が最近見聞した２件を紹介してみよう。１件目は数年前にフランスのドゥエイ市にてCFRP（炭素繊維強化プラスチック）材のバイオリンである。音量を大きくするためのアイディアだが、木をCFRPに替えただけで形状は従来品をほとんど踏襲していたため残念ながらその魅力は大きいものではなかった。
（写真はピエール・ロレンス氏の1996年に製作したＦＲＰボディのバイオリン）
他の１件はニュージランドの鋳造技術研究所でハンドベルが軸対象回転体であることに着目して遠心鋳造で成型した試作である。理屈の上では音の伸びや音量が砂型鋳造品よりも優ることが期待出来るが今のところ１件目と同様な理由でまだ有効な結果が得られず新型ハンドベルは世の中に普及はしていない模様である。これらはいずれも着想は良いのだが成功して普及するためには、新しい材質に適した形状を検討せねばならぬ段階が残されている。このように材料面からの楽器を改良する探求の余地は今後も大いにあると予測するのだがポイントはそれぞれのアイディアを活かした形状の考察範囲を十分広げて研究することと思える。
一方、現実を考えると何か特別なグッドアイディアが出たときは別だが、伝統的な製作方法の範囲外に出た大幅な改造を行うことは実用的な必要性やメリットが少ない場合が圧倒的に多い。したがって世の中からあまり飛躍した話には触れないことにして次項以下に話を進めてみよう。
２．「メカ振源楽器」と「電子振源楽器」
楽器を分類する方式はなかなか定番といえるものがないのだが、まず大分類として＜楽器から発音される音のピッチ感＞に対応する＜振動の源となっている振動体＞により機械的な振動源を有する楽器「メカ振源楽器」と電子的な振動源を有する楽器「電子振源楽器」の２つに分けるのが妥当であろう。電気ギターや電子ドラム、電気バイオリン、ピアノ型電気楽器、ハモンドオルガンなどのように機械式であり電気式でもある＜ハイブリッド構成の楽器＞は振動源がすべて機械的振動なので「メカ振源楽器」に分類する。純然たる電子回路音源を持つ電子オルガン、電子ピアノ、シンセサイザ、などはもちろん「電子振源楽器」である。
「電子振源楽器」においてもそのハードウエアがある以上、材料が重要と云えるところは存在する。スピーカの振動板、各種センサ、表示器、接点や鍵盤の材料など機能材料と外観、構造強度を決めたりする構造材料である。特に機能材料は現代の＜ＩＴ・エレクトロニクス技術＞の進歩に合わせて新しく開発された材料が今後も導入されて革新が進むであろう。それらの新規材料については楽器メーカー間で激しい導入競争が続くことになろうがそれらは他の技術記事に譲ることにして、以下「メカ振源楽器」の範囲で話を進めてみよう。
３．「メカ振源楽器」作りに使われる材料
これまでの楽器作りに使われている材料と云えば木材各種、金属材各種、プラスチック材各種の他に、竹、葦、動物皮革、羊毛、象牙、羊腸（ガット）、馬の尻毛、松脂、さらに塗料、メッキ膜、装飾用の貝や貴金属などを加えれば実に多岐にわたっている。すべてが大なり小なり音響性能に影響を持つ部材に使われているので材料の選択決定は重要な問題であることは間違いない。
材料の影響が大きい方の例を言うなら、＜ピアノの弦を打つハンマー＞は歴史的には皮革から羊毛に変わり、現在は羊毛を高度圧縮したフェルトだがもし金属やプラスチックで弦を打ったら音色はガラリと変わってしまう。各メーカーではピアノハンマー用の羊毛フェルトの圧縮技術、成型方式、薬品処理、整音工程の作業性などの要因について最良の音色が得られる材質を得るための製法の詳細仕様を研究し続けているほど重要な部分である。
他方、外装の材料や構造上必要な強度を得るために選ばれた材料は外観の美しさ、質感、強度などに深く寄与するが音質への影響は少なく限りなくゼロに近い場合もあろう。
話を広げて「メカ振源楽器」を構成する各部材を＜音響性能に寄与する度合＞で分類すれば次のように考えられる。
（１）音響を発生する源となる振動体：振動体の形状によって弦、空気柱、板状（シンバルなど）、膜状（ドラムなど）、棒状（マリンバ、トライアングルなど）、に分けられる
（２）振動を振動体から発生させるための駆動器：ピアノハンマー・撥などの打撃具、擦る弓、弾く撥、口唇、リード、エッジなど
（３）振動体の振動を伝達および拡大する部材：ピアノの駒、その他の弦楽器の駒など
（４）振動を音響として空気中に放射するための部材：ピアノや弦楽器の響板、響箱など
（５）振動体を支える支持体となる部材：ピアノや弦楽器の弦支持部品、管楽器のマウスピース、リード楽器のリード留め具など
（６）振動体の形状の規定（管楽器の場合）、または構造や強度のための必要から設けられた部材：管楽器の管体、ピアノの外装など
振動現象を決める要因として考えると（１）（２）は特に音響性能への寄与が大きいと考えられる。次に（３）（４）であろう。寄与率が大きい部材の材料の選択の重要度は一般に高いことは当然である。しかし個々の楽器についての個別部材の寄与率は一概には云えないので「場合によりけりで大小さまざまである」とせざるを得ない。
４．管楽器における材料諸説
管楽器は空気柱が振動体なのでその材料は空気であり＜空気柱を取り囲む壁＞の材料は上記（５）に分類されている。したがって管楽器の材料の音響性能への寄与は一義的には大きくないと考えるのが順当である。しかしながら、管楽器の本体材料は世間では良く議論されることが多く、プロの演奏家をはじめ音楽専門家もほとんどすべてがその大きい効果を疑っていない。つまり「楽器の音色は管壁の材料が決める」と言い切るくらいの勢いで意見を語る奏者や専門家が少なくない。そして「金やプラチナ製のフルートの音色が最高である、木製のフルートは音色が柔らかくて心が癒される」などという話はよく聞く。
しかし科学的には管壁の材料が音響に影響を与えるとするなら、それは基本的な性能ではなく＜微妙な差を論ずるときに問題になる範囲＞であろうことは予測されよう。＜微妙な違いが生じ得る科学的な理由＞の候補は（１）管壁自体からの音の放射が無視できない、（２）骨伝導も含めた奏者の耳に達する音や口唇・手・指が感ずる楽器本体からの反作用の感じが材料によって違う（ので奏者の耳には音が違うように感じられる）、ことが考えられる。（１）については、管壁の振動の相違が有意なものかどうか調べた村上和男らの研究[文献1]はそれを定量的に示した数少ない例である。管壁の振動が比較的大きい楽器としてトロンボンを選び朝顔管の管璧の振動をストレンゲージで測定しつつ音との対応を調べた。結果は管壁の振動の違いが大きい楽器間でも発生する音の差は人が感知するほどではないということである。つまり管壁の振動に基づき管壁から放射される音量の聴覚的寄与はごく少ないということを示している。（２）については定量的にはなかなか調べにくく奏者に良い感じを与える反作用はどのようなものかという視点で説得力ある研究はまだ見受けられない。
しかしながら現実的にはたとえば金属製フルートの場合は、「金またはプラチナ製のフルートの音色が最高でありその次が銀で、次が普及品に使われている洋白メタル」との説があり多くの人がそれを正しいものと信じている様子である。同様にクラリネットやピッコロではプラスチック、金属製よりも稀少木材（グラナディラなど）製の音が良い、トランペットでは通常のイエローブラス（およそ銅６５％、亜鉛３５％）よりもレッドブラス（およそ銅９０％、亜鉛１０％）製が勝り、サキソホンでは管体表面に＜塗装後のメッキはなし＞よりも＜銀メッキ＞、＜金メッキ＞などＷＰ施した製品が珍重される傾向がある。不思議なことにいずれの場合も「高価な材料ほど音が良い」と評価されているのだ。管楽器を作ったときに音が良い順番で材料の値段を決めているわけではないので甚だ奇妙なことである。このような説が生じてくる理由を探ってみると、実は高い材料を使った場合は要するに売値も当然高価になるので＜製作者が丁寧に美しく作ってしまうことにある＞のではないかと思われる。全体の加工精度を上げ、よく磨き仕上げ、摺動部はスムーズに動くように、音響性能にとって最も肝心である発音部（フルートで言えば頭部管唄口のエッジの仕上げ）の調整や空気漏れは極小に抑えるように入念に調整する。つまり＜材料と関係ないところで人手が何倍もかかっているので外観が美しく、メカニズムの動きはスムーズになり、音もムラなく出しやすく作られている＞のである。楽器店やユーザーも＜高価な製品であるから注意して丁寧に取り扱うから出荷後に時間が経っても狂いが少ない＞・・・この辺りが真の理由と考えられる。もし管壁の構成条件が音色に寄与するとすれば材質以外の要因である＜表面仕上げの程度＞、＜熱処理の度合い＞、＜平均板厚と板厚分布＞、＜メッキや塗装＞などについては何も説が存在しないというのも府に落ちない話である。したがって材料の音響性能の寄与は「あったとしてもごく微妙な人間が感知し得るかどうか疑問があるレベル程度」であろうと考えるのが順当なところである。
５．ピアノに使用される材料
楽器の王とされるピアノには経験的に積み重ねられたノーハウに基づいた材料が用いられて作られている。弦、響板、ハンマーなど音響性能への寄与が大きい重要部品には永年の経験を活かして製作方式が定められている。しかし更なる改善を狙ってメーカーでは研究が続けられているのですでに完成したので変更の余地はないとは云えない。たとえばピアノ響板の材質、木材の種類、乾燥方式、塗料や塗装方式、塗膜厚さはしばしば研究テーマとされている。では金属材料やベニヤ板でピアノ響板を作ったらどうなのだろうか。著者の経験ではアルミ板のみ、木材とアルミ板のサンドイッチ構造の２方式で試作して品質的には十分なところまで出来たがコストメリットがなくいて商品化はされなかったことがある。またベニヤ板の場合は明らかなコストメリットはあり品質もそれなりに満足行く結果が得られたのでアプライトピアノの低価格モデルに採用されたことがある。
また、鉄骨(フレーム)は強度が十分で仕上がりの美しさを持たせるための＜材料成分＞や＜鋳造方式＞を採用することの他に音響との関連が最もあると思える＜弦の支持部分＞は許容コスト内で特別に熱処理や加工を施して硬度や弾性を制御しているのでその辺りを最適化する余地も残されている。
６．楽器作りのための新しい材料
楽器作りに採用するために今後の開発が期待される新規材料を考えてみよう。これまでも昔は自然材で作られていた多くの部品が材質の品質管理がしやすい＜プラスチック材料＞や＜金属材料＞に置き換えられてきた。弦楽器の弦、ドラムヘッド、ピアノのアクション部品、クラリネットの管体、キーボード楽器の鍵盤や外装・・・など例を挙げれば沢山ある。スーザホンは一世代前までは他の金管楽器と同じ黄銅で作られていたが吹奏楽の行進演奏のときに重すぎるので軽いＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製が今日では常識になった。管体材料を変えたら音は悪くなったとは聞いてない。
以下に今後材料面での新規開発が期待される楽器部材をやや私見を交えた見解だが挙げてみよう。
管楽器で云えば、自然資源保護の目的で供給が十分に得られない＜木管楽器用の管体用のアフリカ稀少材（グラナディラ）＞を新規材料で置換し品質も同等以上に保たせることは技術者の使命であろう。また＜木管楽器用のリード＞は現在もなお使われているケーン（葦）で作られているが安定性・耐久性に明らかな欠点があるのでぜひ代替材料を開発していただければと思う。南仏のコゴランにある代表的なリードメーカーを訪たときに重要な部品が近代工業の品質管理とはほど遠い状況で生産されているあることを知った。人工材料で改良する効果は大いに期待できる。他に＜木管楽器の気密性をより良く保つ音孔タンポ＞、＜金管楽器用の気密性をより良く保てる摺動部＞、＜精密加工性、耐摩耗性などが向上させたピストンやスライド材料＞、＜錆びにくい・よごれにくい・光沢を長時間保持できる外観を与える金管楽器管体材料＞、＜管内に唾液がたまらない付着しないパイプ材＞、などはもし開発出来れば歓迎されることは間違いなかろう。
ピアノでは＜断線しにくい強抗張力の弦＞が待望される。高抗張力のピアノ用弦が出来れば高音部の弦長さを長く取って張力を上げることが出来るので現存ピアノの最大欠点であ
る最高音部の音の伸びと音量の向上が期待できる。＜耐候性・耐久性が高いハンマー用材＞、＜木材に変わる寸法安定性があるアクション部品材＞、＜高強度で軽量化が図れる鉄骨フレーム材＞、保護すべき動物資源のために＜品質が象牙に劣らぬ鍵盤材料＞などの開発が待たれるところである。
バイオリン族楽器用には、＜響板材の古木化促進処理技術＞、＜耐久力があり松脂塗布不要の弓毛材＞が必要度と効果が高そうである。
これらの研究開発の達成には単に「原材料・素材」の開発だけではなく作り上げた材料の熱処理・化学処理する「改質技術」の開発も必要になるものと思われる。および開発した新材料を正しく評価するために着目した部分の材質を変化させたときの楽器内の振動現象の変化状況を捉える技術を開発することも当然重要である。
１０．終わりに
「楽器作り」は一般的には保守的伝統的な世界である。十分に革新されたものを作れれば文句はないであろうが、革新は通常の努力では難しいことが多い。したがって小さな改良でもそれが有意なものであれば大いに賞賛に値するので改良の度合いを精度の高い手法で評価した上で世に発表する価値があろう。また従来伝説的に信じられていることの間違いを正して世直しをしていく役割も楽器研究者が果たさねばならないことであろう。ここでは材料の面から見渡してみたが楽器の改良につながるテーマは少なくはないし正すべき間違い信仰もいくつかありそうである。楽器研究者がファイトを出して研究を深耕すべきフィールドは技術者各人が得意とする技術分野の中で必ず見つかりそうである。
＜参考文献＞
１）村上，加藤：トロンボーンの管壁振動について、日本音響学会講演論文集、’69年10月、３―4―6
２）先端高機能材料、第5編4.1高機能振動板材料、エヌジー出版、2001
３）石本祐吉「オーケストラの楽器たち」（アグネ技術センター出版、2000年9月）
以上 2006年9月1日