樂(lè)器聲學(xué)測(cè)量
—— 碳纖維吉他與木吉他

陳克昕

碳纖維作為新材料，生產(chǎn)技術(shù)日趨完善，應(yīng)用領(lǐng)域也從工業(yè)逐漸擴(kuò)展至樂(lè)器制作領(lǐng)域。相較于木材而言，這種新材料具備一定性能上的優(yōu)勢(shì)，但和天然的木材相比也有一定的不足?，F(xiàn)如今木材資源日趨匱乏，在可持續(xù)性發(fā)展廣為提倡的今天，可以確定的是更多的新材料和復(fù)合材料將被用于樂(lè)器制作。從新材料被應(yīng)用到樂(lè)器制作領(lǐng)域以來(lái)，“革新派”熱衷于這種新材料所賦予樂(lè)器的新音色，“守正派”堅(jiān)決排斥將這種新材料應(yīng)用至傳統(tǒng)樂(lè)器制作中。兩方觀點(diǎn)的碰撞一直以來(lái)都很激烈，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)大部分都集中在音色差異這一方面。

近年來(lái)樂(lè)器聲學(xué)品質(zhì)越來(lái)越趨向于用客觀手段對(duì)其進(jìn)行全方面的測(cè)評(píng)與研究，本文通過(guò)超聲波聲速測(cè)量?jī)x采集木吉他與碳纖維吉他的重要聲學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)采用不同制作材料的同種樂(lè)器所產(chǎn)生的音色差異進(jìn)行說(shuō)明。至于音色優(yōu)劣的問(wèn)題，筆者認(rèn)為應(yīng)從聲場(chǎng)、指向性、材料本身等更多維度展開(kāi)更加復(fù)雜的測(cè)量。除此之外，主觀評(píng)價(jià)、心理聲學(xué)同樣是不可或缺的重要因素，本文還不足以解答和評(píng)價(jià)。

“聲學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)分支，是一門(mén)既古老而又迅速發(fā)展著的學(xué)科?！痹隈R大猷先生編著的《現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)》一書(shū)中已經(jīng)對(duì)聲學(xué)進(jìn)行了詳盡的分類，樂(lè)器聲學(xué)與樂(lè)律學(xué)都并列從屬于音樂(lè)聲學(xué)。樂(lè)器聲學(xué)作為一門(mén)交叉性極強(qiáng)的學(xué)科，在學(xué)習(xí)者掌握大量理論知識(shí)的同時(shí)需要大量的實(shí)踐積累。

一、吉他的聲學(xué)特性

霍薩樂(lè)器分類法基于樂(lè)器聲學(xué)的振動(dòng)特征，較為全面地將樂(lè)器劃分為弦鳴樂(lè)器、氣鳴樂(lè)器、體鳴樂(lè)器、膜鳴樂(lè)器和電鳴樂(lè)器。吉他作為琉特琴屬中的撥弦類弦鳴樂(lè)器，被廣泛應(yīng)用于流行、爵士、民謠、搖滾等各類音樂(lè)風(fēng)格中。進(jìn)入到20世后，由于吉他的音色獨(dú)特且適用的音樂(lè)風(fēng)格多種多樣，便成為廣為流行的樂(lè)器之一。在歷經(jīng)多次改革后，（原聲）吉他可分為古典吉他、弗拉明戈吉他、平面吉他（民謠吉他）、拱面吉他（爵士吉他）四大類。

吉他的發(fā)聲原理大致相同，當(dāng)琴弦被激勵(lì)時(shí)弦振動(dòng)通過(guò)琴碼迅速傳遞至面板，隨之帶動(dòng)吉他腔體振動(dòng)并傳遞至背板，聲音通過(guò)板振動(dòng)以及音孔輻射到琴體外部。我們知道，琴弦自身振動(dòng)所發(fā)出的音量是極其微弱的，即便體積較大的鋼琴亦是如此，這就需要借助琴碼將弦振動(dòng)傳遞給粘有音梁的面板，如同鋼琴音板上的肋木一樣，由于音梁的輔助作用，振動(dòng)被迅速傳遞至整塊面板。吉他面背板厚度為2.5mm左右，音梁在高效傳遞振動(dòng)的同時(shí)又加固了較為脆弱的板體。不考慮制作材料等其他因素，弦碼及音梁的性能對(duì)吉他來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。

同其他弦類樂(lè)器一樣，吉他的振動(dòng)模式為比較典型的耦合振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于低頻共振來(lái)說(shuō)，“需要面板、背板和封閉空氣的耦合運(yùn)動(dòng)”?！霸诟哳l中，大多數(shù)聲音是由面板輻射的”，此時(shí)的弦碼尤為重要。對(duì)于不同種類的吉他，將至少產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的共振。就吉他自身來(lái)說(shuō)，材料選擇（木材、弦材）、制作工藝（弧度、薄厚）、激勵(lì)動(dòng)作（撥、彈、掃、打等）、觸弦位置、握持方式都會(huì)對(duì)吉他音色產(chǎn)生不同程度的影響。關(guān)于觸弦位置對(duì)吉他音色的影響，我們需要知道弦振動(dòng)是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，其中包含橫振動(dòng)、縱振動(dòng)、倍頻振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)四種狀態(tài)，全弦在振動(dòng)的同時(shí)其分段也在振動(dòng)，從而產(chǎn)生基波與諧波?！叭绻谙曳侵行牡奈恢脫軇?dòng)琴弦，其振動(dòng)的組合模式便會(huì)不同”。在琴弦的幾分之幾處撥動(dòng)琴弦，此處的諧波將被抑制，由于諧波的組合與強(qiáng)度產(chǎn)生變化，音色也自然隨之變化。鋼琴對(duì)于擊弦點(diǎn)的設(shè)置也是以此為原理，它對(duì)鋼琴的音色設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。

二、測(cè)量準(zhǔn)備

（一）測(cè)量對(duì)象

此次測(cè)量對(duì)象為價(jià)位相近的傳統(tǒng)木制吉他41寸缺角Nathan T-440以及碳纖維吉他41寸缺角Enya x3，兩把吉他琴頸、共鳴箱體形制相近。更換相同品牌琴弦——D’Addario達(dá)達(dá)里奧EXP16。主要測(cè)量面板數(shù)據(jù)，被測(cè)木吉他面板材質(zhì)為西提卡云杉木。被測(cè)碳纖維吉他面板材質(zhì)為含碳量95%以上的碳纖維，背側(cè)板為HPL材料。

（二）測(cè)量裝置

Nor150聲級(jí)計(jì)。IEC61672-1，I級(jí)，符合IEC61672-1Ed.2.0(2013)精度要求。可選1/1倍頻帶和1/3倍頻帶濾波器符合IEC 61260(2014)I級(jí)精度要求。配有Nor1225自由場(chǎng)麥克風(fēng)，頻率范圍3.5Hz-20kHz。Nor1209前置放大器，頻率響應(yīng)20Hz-20kHz，精度±0.1dB。MMF（KS94B）17001型振動(dòng)傳感器，壓電集成電路（IEPE）型，靈敏度2.51mV/（m/s2）。LucchiMeter超聲波聲速測(cè)量?jī)x。測(cè)量精度+/- 0.16μs。

（三）測(cè)量方法

1.音頻數(shù)據(jù)采集

采集兩把吉他音質(zhì)時(shí)聲級(jí)計(jì)擺放與琴體位置關(guān)系如圖1測(cè)量場(chǎng)景所示，Nor150聲級(jí)計(jì)固定至三腳架，防風(fēng)罩平面垂直于吉他面板1米處。測(cè)量時(shí)儀器操作者向?qū)嶒?yàn)員發(fā)送指令，完成一次測(cè)量周期。激勵(lì)時(shí)兩吉他的觸弦位置相同。

2.振動(dòng)測(cè)量

為模仿吉他演奏時(shí)的打板技巧，保證打板力度相等，測(cè)量采用固定長(zhǎng)度的帶線小球以同等直線距離模擬打板軌跡落在面板常用的打板位置“A”點(diǎn)。振動(dòng)傳感器粘貼位置及激勵(lì)球體觸發(fā)距離如圖1所示。將位置固定好后，小球距離兩把吉他琴體“A”點(diǎn)直線距離360mm。兩把吉他振動(dòng)傳感器同粘貼在“B”點(diǎn)。每次測(cè)量前實(shí)驗(yàn)員先將小球拉至標(biāo)定位置，準(zhǔn)備好后向儀器操作者發(fā)送指令完成測(cè)試。

圖1 測(cè)量場(chǎng)景 實(shí)驗(yàn)員：孫詩(shī)琪

3.聲速采集選擇同一平面放置兩把吉他，輸入測(cè)量參數(shù)后進(jìn)行聲速測(cè)量，儀器測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定后記錄，測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定時(shí)將進(jìn)行復(fù)測(cè)。

4.聲場(chǎng)

本測(cè)量在封閉空間聲場(chǎng)中進(jìn)行。

三、數(shù)據(jù)采集及分析

在六弦空弦、五弦十七品、六弦十二品泛音及掃弦測(cè)量中皆采集0 —2秒數(shù)據(jù)。所有聲壓級(jí)數(shù)據(jù)均為等效平均聲壓級(jí) 。時(shí)域圖像采集0 —8秒數(shù)據(jù)，為頻率所在的1/3倍頻帶，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為dB（聲壓級(jí)）。頻譜橫坐標(biāo)為Hz（頻率），縱坐標(biāo)為dB（聲壓級(jí)）。頻譜圖最下方“（ x）”括號(hào)中的數(shù)字代表經(jīng)多少倍數(shù)縮放。表中的頻率數(shù)值為泛音頻帶內(nèi)最大的等效平均聲壓級(jí)。測(cè)量前將進(jìn)行三次以上的預(yù)測(cè)量，確保數(shù)值穩(wěn)定后進(jìn)行正式測(cè)量。

1.六弦空弦

根據(jù)圖2表格所示，碳纖維吉他基音比木吉他基音低6.5dB的情況下，第三泛音和第四泛音的聲壓級(jí)反而明顯高于木吉他。聲壓級(jí)隨泛音列級(jí)數(shù)增長(zhǎng)而降低的幅度遠(yuǎn)低于木吉他。根據(jù)圖3頻譜圖像可以看出，低頻帶無(wú)明顯差異，在中高頻帶碳纖維吉他能夠激起更多的泛音，且響度更大。

圖2

2.五弦十七品

根據(jù)圖2表格所示，同樣在碳纖維吉他基音聲壓級(jí)低于木吉他的情況下，第一至第四泛音聲壓級(jí)反而比木吉他泛音聲壓級(jí)高，且衰減幅度更小。根據(jù)圖3頻譜圖像可以看出，整體上碳纖維吉他對(duì)各頻帶的響應(yīng)更加充分，且響度變化較小。而木吉他各頻帶響度變化較大，且衰減更快。

圖3

3.六弦十二品泛音

根據(jù)圖2表格所示，兩把被測(cè)吉他基音聲壓級(jí)相差不大的前提下，第一到第四泛音的聲壓級(jí)皆高于木吉他。根據(jù)圖3頻譜圖像可以看出低頻帶木吉他響度略大于碳纖維吉他，中高頻帶碳纖維吉他的響度反比木吉他更大，且響度變化較小。

4.C大三和弦掃弦

如圖2表格所示 和 兩音木吉他響度略大于碳纖維吉他，其余各音相差不大。根據(jù)圖3頻譜圖像可以看出，低頻帶木吉他響度略大于碳纖維吉他。碳纖維吉他各頻帶曲線變化較平緩，中高頻帶碳纖維吉他的響度略高于木吉他。

5.一弦空弦時(shí)域特征

根據(jù)圖2一弦空弦時(shí)域表格所示，同頻帶下碳纖維吉他0 —8秒衰減值低于木吉他。根據(jù)圖3時(shí)域圖像可以看出木吉他空弦0 —3秒衰減幅度較大。碳纖維吉他空弦0 —8秒衰減曲線相對(duì)平緩，衰減速度較木吉他更慢。

6.面板振動(dòng)測(cè)量

在攝像焦距與小球繩子長(zhǎng)度固定的前提下，我們利用慢鏡頭回放可以看出碳纖維小球彈起的距離要高于木吉他。兩吉他振動(dòng)頻譜差異不大。

7.聲速采集

根據(jù)圖2表格測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出整體上碳纖維吉他聲速要快于木吉他。在兩把吉他面板上部橫向距離相等的情況下，碳纖維吉他聲速比木吉他聲速快2136m/s。面板左側(cè)縱向距離相差2mm情況下，碳纖維吉他聲速要比木吉他聲速快1659m/s。面板右上到左下方向的斜向距離相差7mm情況下，碳纖維吉他聲速要比木吉他聲速快1882m/s。而背板和側(cè)板聲速差異不大。

四、結(jié)語(yǔ)

中，這一特征尤為明顯。根據(jù)時(shí)域圖像可以看出，碳纖維吉他衰減速度更慢、幅度更小、更接近于線性。通過(guò)觀察對(duì)比聲速數(shù)據(jù)，碳纖維吉他面板聲速要明顯快于木吉他。兩把吉他在音色風(fēng)格上產(chǎn)生差異，很大程度上是因?yàn)橹谱髅姘宀牧系牟煌Ｌ祭w維為人工材料，在密度、結(jié)構(gòu)、硬度等方面是可控可設(shè)計(jì)的，對(duì)比天然木材的密度更為均勻，所以振動(dòng)更為規(guī)則。在背側(cè)板聲速數(shù)據(jù)對(duì)比中，選用HPL材料制作背側(cè)板的碳纖維吉他與木吉他差異不大。

在進(jìn)行音頻采集的過(guò)程中筆者發(fā)現(xiàn)，即便經(jīng)驗(yàn)再豐富的演奏者每次演奏相同音符的力度與速度在高精密儀器下也很難達(dá)到絕對(duì)統(tǒng)一，更何況還要考慮到“彈”“撥”“打”等一系列激勵(lì)動(dòng)作所發(fā)出的噪音，兩項(xiàng)誤差疊加將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響，同時(shí)對(duì)科學(xué)的定量分析造成困難。激勵(lì)方式與激勵(lì)層次對(duì)彈撥類樂(lè)器音色的影響是較大的。對(duì)于精度要求較高的樂(lè)器聲學(xué)測(cè)量，設(shè)計(jì)或運(yùn)用輔助工具是極其必要的。