劉京宇

（中央音樂學院，北京 100031）

1 樂器聲學測量的意義及研究現(xiàn)狀

樂器聲學測量是指利用聲學測量的技術(shù)手段對樂器的聲學參數(shù)進行客觀的測量。在我國河南舞陽賈湖出土的骨笛上發(fā)現(xiàn)了用于計算音孔位置的刻痕（見圖1），這說明人類對于樂器進行有目的的聲學測量至少已有八千多年的歷史。這些刻痕說明，雖然當時沒有出現(xiàn)聲學測量設備，但我國古人已經(jīng)開始有意識地利用聲學測量方法中的計量、分析手段來調(diào)校樂器的音準。

樂器聲學測量的意義主要體現(xiàn)在三個方面，一是為樂器的設計、制造和改革提供理論依據(jù)和標準；二是是為音樂學研究提供客觀數(shù)據(jù)；三是為樂器演奏和教學提供理論依據(jù)。除此之外，錄音師需要根據(jù)樂器的聲學參數(shù)選擇合適的傳聲器和拾音方式；建筑聲學設計者需要根據(jù)不同樂器的聲音特性設計不同聲學環(huán)境的音樂廳；樂隊指揮需要根據(jù)樂器的頻率輻射特性等聲學參數(shù)確定樂器在舞臺上的擺位。這些研究的基礎都需要樂器聲學測量所提供的數(shù)據(jù)。

就目前掌握的文獻資料情況來看，國內(nèi)絕大多數(shù)有關聲學測量的專著都是針對傳聲器、揚聲器、音頻設備及房間聲學特性的，關于樂器聲學測量的專著并不多見。田澤林的《樂器的聲學測量》一文較為全面地介紹了樂器聲學測量的相關內(nèi)容，但由于其中所涉及的測量設備較為陳舊，有些數(shù)據(jù)處理方法已不再適用于現(xiàn)代的樂器聲學測量。其他少量涉及該領域的文獻，內(nèi)容多是側(cè)重測量結(jié)果的分析，較少涉及測量方法和步驟等有關問題。Meyer的《音樂聲學與音樂演出》（1972年版）中涉及了一些樂器聲學的測量方法，這些方法多是針對西洋樂器的，在使用時應考慮中外樂器在形制特點、音域音色、演奏技法等方面存在的差異。本文針對樂器聲學測量中容易被忽視的問題進行探討，并提出可行的思路。

圖1 骨笛上有用于計算音孔位置的刻痕

2 樂器聲學測量的特殊性

從聲學測量的被測對象來看，與一般被測對象相比，樂器的特殊性主要體現(xiàn)在：

（1）聲源發(fā)聲的不穩(wěn)定性。一般被測對象不存在這種問題，基本上都有其各自統(tǒng)一的激勵信號，并且都有相關的國家標準。而樂器由人演奏發(fā)聲，帶有一定的主觀性，即對于同一件樂器的同一個演奏技法而言，不同演奏者在演奏時會存在較大差異，這種樂器發(fā)聲的不穩(wěn)定性給樂器的聲學測量帶來了很大難度。

（2）測量參數(shù)的復雜性。一般被測對象都有較為統(tǒng)一的測量參數(shù)。而不同樂器由于形制特點、演奏方法、演出場合、樂隊組合形式等方面的差異，需要測量的聲學參數(shù)也不盡相同，如何定義并測量這些參數(shù)是一大難題。

3 測量中若干問題的探討

3.1 測量環(huán)境的選定

一般情況下，樂器聲學測量多是在消聲室內(nèi)進行，這樣可以拾取到樂器最真實的音響，測量結(jié)果較為客觀，有利于樂器制造、改良等工作的進行。但在消聲室內(nèi)測量的結(jié)果往往并不適用于作曲家、指揮家、演奏家及欣賞者，因為音樂廳與消聲室的聲學環(huán)境是截然不同的，對于從事音樂的工作者而言，可能更在意樂器在實際演奏時的音響。

圖2顯示了在樂器附近和廳堂里小提琴顫音的頻譜。從圖中可以看出，由于廳堂的混響作用，頻率和幅度隨時間變化的特性不容易辨別，且廳堂中的聲音更加豐滿。在樂器附近即演奏者的位置，聲音以直達聲為主，不容易感覺到聲音的空間感，但對于聽眾來說，該特性卻能被明顯地感受到。

圖3顯示的是廳堂中分別使用指向性和無指向性傳聲器記錄的長笛顫音頻譜圖（音符C6），其中指向性傳聲器主要記錄直達聲，無指向性傳聲器主要記錄廳堂環(huán)境聲。從圖中可以看出，廳堂環(huán)境聲的高頻部分明顯少于直達聲，這是由于高頻聲音較容易被空氣吸收。對應于主觀聽感，則聲音的明亮度降低，而圓潤度、豐滿度增加，這種效應對于中高音彈撥樂器而言尤為突出，對彈撥組樂器組合的融合感也有重要影響。

圖2 小提琴顫音的頻譜圖對比

從以上例子可以看出，這樣的差異對于作曲家、指揮家、演奏家以及聽眾來說都是不可忽略的。因此，樂器的聲學測量不僅應在消聲室中進行，必要時也應適當選擇在混響室中進行聲學參數(shù)的測定。

3.2 特殊測量參數(shù)的選定

一般情況下，樂器聲學的測量參數(shù)主要選擇音域、音量、音準、音長及音色等常規(guī)參數(shù)，但對于某些樂器，這些參數(shù)并不足以反映出它們自身的聲學特征。由于中國民族樂器種類繁多，演奏技法各式各樣，應針對每種樂器制定一套獨有的測量參數(shù)?！峨p音鐘音樂性能之檢測》一文就編鐘的音質(zhì)檢測提出了參數(shù)“正、側(cè)鼓音隔離度”。這種特殊參數(shù)的測定對于樂器的生產(chǎn)和研發(fā)是十分必要的。例如：對于二胡高音區(qū)的衰減情況，以往大多采用主觀評價的方法，但仍存在不夠客觀、精確的問題。故可考慮選擇參數(shù)“二胡高音區(qū)衰減度”，即高音區(qū)聲壓級與中低音區(qū)聲壓級的差值，并應當規(guī)定該參數(shù)的容許范圍。當然，具體數(shù)值的設定還要經(jīng)過大量的實驗。相應地，還可以研究“揚琴音色過渡平滑度”、“管樂器發(fā)音靈敏度”等參數(shù)的定義、測量方法以及推薦參數(shù)值。

3.3 樂器組的聲學測量

樂器聲學研究通常只針對單件樂器，較少關注一組樂器的聲學特性。中國民族管弦樂隊中的彈撥樂器組是區(qū)別西洋管弦樂隊的重要標志，其突出的特點就是具有“點”狀的聲學特性，該特性使其獨奏與合奏的效果相差甚遠。在民族管弦樂隊中，彈撥組樂器的融合性最差，然而對于大型彈撥樂團來說，這種感覺并不是很強烈，其原因就在于“群感”的作用。對于樂器組聲學特性的研究可能是發(fā)現(xiàn)并解決彈撥樂器融合性問題的一種有效途徑。

圖3 長笛顫音頻譜圖對比

被測量的樂器組可以由同一種樂器組成（民族樂團中的二胡組），也可由不同種樂器組成（如彈撥樂團）。測量內(nèi)容除常規(guī)聲學參數(shù)外，還包括與混響感、顆粒感、融合性、豐滿度、明亮度等相對應的客觀參數(shù)。這方面的研究成果可為民族彈撥樂器交響性研究提供重要的參考依據(jù)。

3.4 與音強有關的參數(shù)測量

與音強有關的參數(shù)測量主要包括聲壓級、聲功率和動態(tài)范圍的測量。在樂器聲學測量過程中，選擇何種參數(shù)來進行描述要根據(jù)測量的目的來確定。聲功率和聲壓級都是描述聲源強度的參量，但兩者又有所不同。聲功率表示在單位時間內(nèi)聲源向所有方向輻射的總聲能，可有效地描述聲源的強度，但該參數(shù)只與聲源本身有關，與廳堂的聲學環(huán)境以及聽眾的距離無關。因此，聲功率最適合從整體上描述樂器的動態(tài)特性。然而，聲功率并不能直接與人耳對音強的主觀感覺相聯(lián)系，與聽覺系統(tǒng)有直接關系的是聲壓級。樂器的聲功率和聲壓級不僅取決于演奏的力度，還與演奏的速度和內(nèi)容有關。

值得注意的是，由于中國民族樂器的演奏技法繁多，不同技法產(chǎn)生的聲壓級可能會有較大差異，因此，某種演奏技法的聲壓級（如琵琶彈奏掃弦、古琴彈奏泛音時的聲壓級）都不能描述該樂器一般的音強特性。為使測量結(jié)果更為客觀，可考慮設定“基本聲壓級”和“特殊技法聲壓級”兩個參數(shù)共同描述樂器的音強特性。其中，前者是指樂器演奏音階時的平均聲壓級，測量結(jié)果多供樂隊合奏參考；后者是指演奏各種技法時的聲壓級，測量結(jié)果多供獨奏參考。與這兩種聲壓級參數(shù)對應的動態(tài)范圍分別是樂器的“基本動態(tài)范圍”和“特殊技法動態(tài)范圍”，通常來說，樂器的特殊技法動態(tài)范圍是大于基本動態(tài)范圍的。

另外，由于受樂器自身聲學特性的限制，樂譜上標記的p（弱）、f（強）等力度記號往往與實際音響強度并不完全一致，例如二胡高音區(qū)的強奏、嗩吶高音區(qū)的弱奏通常是不能實現(xiàn)的。因此，為獲取譜面音強與實際音強的對應關系，在測量聲壓級時，演奏員應按照譜面規(guī)定的力度進行演奏，這樣測出的結(jié)果才更具有參考價值。

3.5 與音色有關的參數(shù)測量

與音色有關的參數(shù)測量主要包括樂器諧音的頻譜、頻率范圍、聲能集中區(qū)、共振峰、頻率分量的頻帶寬度和背景噪聲等參數(shù)的測量。其中，前四項是頻譜測量中最重要的三個參數(shù)，它們都會受到音強的影響。這里所說的音強不是指通過調(diào)節(jié)揚聲器音量旋鈕產(chǎn)生的音強變化，而是指演奏者激發(fā)該樂器的力度。

圖4顯示的是圓號以不同力度演奏F4音時的頻譜圖。從圖中可以看出，激發(fā)的力度不僅改變了聲壓級，而且使頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，即用揚聲器低音量重放樂曲時，聽覺仍能識別其中的強奏樂段。因此，在測量頻譜結(jié)構(gòu)、共振峰等參數(shù)時，被測樣本應至少包括pp（很弱）、mf（中強）、ff（很強）三種力度等級。

頻率分量的頻帶寬度是指在（準）穩(wěn)態(tài)階段，頻譜中各頻率分量的譜線具有的頻帶寬度。通常，當幾個聲源同時發(fā)出頻率幾乎相同的音響時，就會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。因此，在單件樂器的測量中通常不測定該參數(shù)。由于這種現(xiàn)象在一組人同時演唱或演奏，而每個人的聲調(diào)又有微小差別時尤為明顯，因此也稱為合唱效應。這種效應是使彈撥樂小合奏與彈撥樂團演奏時音色不同的原因之一，也是影響群感的重要因素。

背景噪聲是指弦樂器的弓弦摩擦聲、管樂器的氣流聲、古琴的手指擦弦聲、歌唱的呼吸聲等非樂音性質(zhì)的聲音。雖然人們總是盡量避免這些噪聲，但實際上它對保持聲音的自然特性是必要的，它不僅使音色變得生動，而且避免了聽覺出現(xiàn)疲勞的現(xiàn)象。

圖5 噪聲頻譜圖

圖5是小提琴演奏F6音、長笛超吹F6音時的噪聲頻譜圖。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，小提琴在基頻以下和泛音之間具有較強的寬帶噪聲，而長笛的噪聲級非常低，只有很少的噪聲峰值出現(xiàn)在基頻附近。較西洋樂器而言，中國的民族樂器普遍具有噪聲較大的特點，有些噪聲甚至已成為該樂器的特點（如京胡、三弦等）。因此，該參數(shù)的測定對于研究中國民族樂器的聲學特征來說具有重要意義。

最后，還應注意到演奏技法、激發(fā)工具對于頻譜的影響。揚琴的擊奏或撥奏、古箏義甲的材質(zhì)等都會對頻譜產(chǎn)生較大影響，這些也是頻譜測量中應考慮到的問題。

3.6 與時間有關的參數(shù)測量

與時間有關的參數(shù)測量主要包括音長、起振時間、不諧和分量的衰減特性、衰減時間（混響時間）等參數(shù)的測定。與頻譜測量類似，這些參數(shù)也受音強的影響，因此，被測樣本也應至少包括pp、mf、ff三種力度等級。為使測量結(jié)果更為直觀，最好采用三維動態(tài)頻譜，以便觀察到樂音在起振、衰減過程中各諧音的變化情況。該項測量的一個重要應用就是法國頻譜音樂作曲技術(shù)。例如，通過在實際音符之前很短的時間內(nèi)使用相鄰頻率的音符，可以進一步加強這種強調(diào)樂音進入的發(fā)音特點。而這種技術(shù)的理論依據(jù)，就是對樂器的時間參數(shù)分析研究的結(jié)果。

4 減小測量中主觀因素的方法

上文已經(jīng)提到，樂器聲學測量受人為主觀因素的影響很大。由于樂器發(fā)聲的不穩(wěn)定性，使得測量中存在著許多不可控因素，這些因素都將直接影響測量結(jié)果。為減小主觀因素的影響，提高測量結(jié)果的準確度和可信度，可采用以下方法。

（1）多次測量取平均值

多次測量取平均值是減小主觀因素、偶然誤差最有效的方法。具體做法是，對于采錄樣本進行兩次或多次采樣，并將后期的分析結(jié)果進行平均。但這也意味著所有的工作量和成本加倍，在時間和經(jīng)費條件允許的情況下，建議采用這種方法。

（2）設立監(jiān)測人員

這里的監(jiān)測人員是指熟悉被測樂器聲學特性的人員，最好具有該樂器的演奏經(jīng)驗。一旦演奏員出現(xiàn)演奏上的問題而且自己沒有意識到，監(jiān)測人員能及時指出并進行重新采樣。

（3）設計采錄標準

這里的采錄標準是指為提高樣本的穩(wěn)定性而采取的、對于被采錄樣本的特殊要求。這是樂器聲學測量中常常被忽略的問題。例如，為獲取揚琴的聲壓級特性，除要求演奏員按規(guī)定力度演奏外，還應要求演奏員用單手來演奏，從而減小由于雙手演奏產(chǎn)生的力度差異。標準的測錄設計通常依據(jù)不同樂器的發(fā)聲及演奏特點，如，測量二胡的聲壓級要考慮到是用拉弓演奏還是用推弓演奏；測量笙的聲壓級要考慮到是用呼氣演奏還是用吸氣演奏；測量笛子、嗩吶的聲壓級要考慮到吹管樂器的換氣和呼吸問題等。

（4）消除演奏員的個人習慣

聲學測量不同于音樂表演，測量中應盡量避免演奏員在表演時的一些習慣。例如，具有多年演奏經(jīng)驗的二胡演奏家在演奏單音或音階時，往往無意識地加入揉弦的技巧，而弦樂器的顫音會對指向性造成很大影響。因此，為提高測量的準確度，測量前應告知演奏員在演奏時不應加入揉弦等技巧。

（5）特殊聲學環(huán)境的影響

消聲室具有強吸聲的聲學環(huán)境，由于沒有反射的作用，演奏員只能聽到樂器的直達聲，因此，在演奏時會不自覺地加大音量，從而引入誤差。為減小聲學環(huán)境對演奏員的影響，在測量前應讓演奏員在測量環(huán)境中預演一段時間，以適應特殊的聲學環(huán)境。同時，現(xiàn)場演奏時，還應使用聲級計對演奏力度進行實時監(jiān)控。

5 總結(jié)

本文對樂器聲學測量中容易被忽略的問題做了大致梳理，筆者希望能夠通過本文的介紹，喚起廣大讀者對于樂器聲學測量的重視。由于該領域所涉及學科的深度與廣度是不可估量的，因此，不僅需要研究者具備廣博而扎實的專業(yè)知識，更需要有對待科學研究一絲不茍、精益求精的態(tài)度。相信，通過不懈的努力，這項事業(yè)必會取得長足的進展。

[1] Jürgen Meyer著，陳小平譯.音樂聲學與音樂演出[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 韓寶強.音的歷程[M].北京：中國文聯(lián)出版社，2003.

[3] 陳克安.聲學測量[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[4] 萬平英.聲頻測量技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[5] 韓寶強.雙音鐘音樂性能之檢測[J].樂器，2002（7）.

[6] 劉京宇.彈撥樂器音色組合的主觀偏愛研究[J].演藝科技，2013（5）.