中国民族乐器声学测量的若干问题

刘京宇

（中央音乐学院，北京 100031）

1 乐器声学测量的意义及研究现状

乐器声学测量是指利用声学测量的技术手段对乐器的声学参数进行客观的测量。在我国河南舞阳贾湖出土的骨笛上发现了用于计算音孔位置的刻痕（见图1），这说明人类对于乐器进行有目的的声学测量至少已有八千多年的历史。这些刻痕说明，虽然当时没有出现声学测量设备，但我国古人已经开始有意识地利用声学测量方法中的计量、分析手段来调校乐器的音准。

乐器声学测量的意义主要体现在三个方面，一是为乐器的设计、制造和改革提供理论依据和标准；二是是为音乐学研究提供客观数据；三是为乐器演奏和教学提供理论依据。除此之外，录音师需要根据乐器的声学参数选择合适的传声器和拾音方式；建筑声学设计者需要根据不同乐器的声音特性设计不同声学环境的音乐厅；乐队指挥需要根据乐器的频率辐射特性等声学参数确定乐器在舞台上的摆位。这些研究的基础都需要乐器声学测量所提供的数据。

就目前掌握的文献资料情况来看，国内绝大多数有关声学测量的专著都是针对传声器、扬声器、音频设备及房间声学特性的，关于乐器声学测量的专著并不多见。田泽林的《乐器的声学测量》一文较为全面地介绍了乐器声学测量的相关内容，但由于其中所涉及的测量设备较为陈旧，有些数据处理方法已不再适用于现代的乐器声学测量。其他少量涉及该领域的文献，内容多是侧重测量结果的分析，较少涉及测量方法和步骤等有关问题。Meyer的《音乐声学与音乐演出》（1972年版）中涉及了一些乐器声学的测量方法，这些方法多是针对西洋乐器的，在使用时应考虑中外乐器在形制特点、音域音色、演奏技法等方面存在的差异。本文针对乐器声学测量中容易被忽视的问题进行探讨，并提出可行的思路。

图1 骨笛上有用于计算音孔位置的刻痕

2 乐器声学测量的特殊性

从声学测量的被测对象来看，与一般被测对象相比，乐器的特殊性主要体现在：

（1）声源发声的不稳定性。一般被测对象不存在这种问题，基本上都有其各自统一的激励信号，并且都有相关的国家标准。而乐器由人演奏发声，带有一定的主观性，即对于同一件乐器的同一个演奏技法而言，不同演奏者在演奏时会存在较大差异，这种乐器发声的不稳定性给乐器的声学测量带来了很大难度。

（2）测量参数的复杂性。一般被测对象都有较为统一的测量参数。而不同乐器由于形制特点、演奏方法、演出场合、乐队组合形式等方面的差异，需要测量的声学参数也不尽相同，如何定义并测量这些参数是一大难题。

3 测量中若干问题的探讨

3.1 测量环境的选定

一般情况下，乐器声学测量多是在消声室内进行，这样可以拾取到乐器最真实的音响，测量结果较为客观，有利于乐器制造、改良等工作的进行。但在消声室内测量的结果往往并不适用于作曲家、指挥家、演奏家及欣赏者，因为音乐厅与消声室的声学环境是截然不同的，对于从事音乐的工作者而言，可能更在意乐器在实际演奏时的音响。

图2显示了在乐器附近和厅堂里小提琴颤音的频谱。从图中可以看出，由于厅堂的混响作用，频率和幅度随时间变化的特性不容易辨别，且厅堂中的声音更加丰满。在乐器附近即演奏者的位置，声音以直达声为主，不容易感觉到声音的空间感，但对于听众来说，该特性却能被明显地感受到。

图3显示的是厅堂中分别使用指向性和无指向性传声器记录的长笛颤音频谱图（音符C6），其中指向性传声器主要记录直达声，无指向性传声器主要记录厅堂环境声。从图中可以看出，厅堂环境声的高频部分明显少于直达声，这是由于高频声音较容易被空气吸收。对应于主观听感，则声音的明亮度降低，而圆润度、丰满度增加，这种效应对于中高音弹拨乐器而言尤为突出，对弹拨组乐器组合的融合感也有重要影响。

图2 小提琴颤音的频谱图对比

从以上例子可以看出，这样的差异对于作曲家、指挥家、演奏家以及听众来说都是不可忽略的。因此，乐器的声学测量不仅应在消声室中进行，必要时也应适当选择在混响室中进行声学参数的测定。

3.2 特殊测量参数的选定

一般情况下，乐器声学的测量参数主要选择音域、音量、音准、音长及音色等常规参数，但对于某些乐器，这些参数并不足以反映出它们自身的声学特征。由于中国民族乐器种类繁多，演奏技法各式各样，应针对每种乐器制定一套独有的测量参数。《双音钟音乐性能之检测》一文就编钟的音质检测提出了参数“正、侧鼓音隔离度”。这种特殊参数的测定对于乐器的生产和研发是十分必要的。例如：对于二胡高音区的衰减情况，以往大多采用主观评价的方法，但仍存在不够客观、精确的问题。故可考虑选择参数“二胡高音区衰减度”，即高音区声压级与中低音区声压级的差值，并应当规定该参数的容许范围。当然，具体数值的设定还要经过大量的实验。相应地，还可以研究“扬琴音色过渡平滑度”、“管乐器发音灵敏度”等参数的定义、测量方法以及推荐参数值。

3.3 乐器组的声学测量

乐器声学研究通常只针对单件乐器，较少关注一组乐器的声学特性。中国民族管弦乐队中的弹拨乐器组是区别西洋管弦乐队的重要标志，其突出的特点就是具有“点”状的声学特性，该特性使其独奏与合奏的效果相差甚远。在民族管弦乐队中，弹拨组乐器的融合性最差，然而对于大型弹拨乐团来说，这种感觉并不是很强烈，其原因就在于“群感”的作用。对于乐器组声学特性的研究可能是发现并解决弹拨乐器融合性问题的一种有效途径。

图3 长笛颤音频谱图对比

被测量的乐器组可以由同一种乐器组成（民族乐团中的二胡组），也可由不同种乐器组成（如弹拨乐团）。测量内容除常规声学参数外，还包括与混响感、颗粒感、融合性、丰满度、明亮度等相对应的客观参数。这方面的研究成果可为民族弹拨乐器交响性研究提供重要的参考依据。

3.4 与音强有关的参数测量

与音强有关的参数测量主要包括声压级、声功率和动态范围的测量。在乐器声学测量过程中，选择何种参数来进行描述要根据测量的目的来确定。声功率和声压级都是描述声源强度的参量，但两者又有所不同。声功率表示在单位时间内声源向所有方向辐射的总声能，可有效地描述声源的强度，但该参数只与声源本身有关，与厅堂的声学环境以及听众的距离无关。因此，声功率最适合从整体上描述乐器的动态特性。然而，声功率并不能直接与人耳对音强的主观感觉相联系，与听觉系统有直接关系的是声压级。乐器的声功率和声压级不仅取决于演奏的力度，还与演奏的速度和内容有关。

值得注意的是，由于中国民族乐器的演奏技法繁多，不同技法产生的声压级可能会有较大差异，因此，某种演奏技法的声压级（如琵琶弹奏扫弦、古琴弹奏泛音时的声压级）都不能描述该乐器一般的音强特性。为使测量结果更为客观，可考虑设定“基本声压级”和“特殊技法声压级”两个参数共同描述乐器的音强特性。其中，前者是指乐器演奏音阶时的平均声压级，测量结果多供乐队合奏参考；后者是指演奏各种技法时的声压级，测量结果多供独奏参考。与这两种声压级参数对应的动态范围分别是乐器的“基本动态范围”和“特殊技法动态范围”，通常来说，乐器的特殊技法动态范围是大于基本动态范围的。

另外，由于受乐器自身声学特性的限制，乐谱上标记的p（弱）、f（强）等力度记号往往与实际音响强度并不完全一致，例如二胡高音区的强奏、唢呐高音区的弱奏通常是不能实现的。因此，为获取谱面音强与实际音强的对应关系，在测量声压级时，演奏员应按照谱面规定的力度进行演奏，这样测出的结果才更具有参考价值。

3.5 与音色有关的参数测量

与音色有关的参数测量主要包括乐器谐音的频谱、频率范围、声能集中区、共振峰、频率分量的频带宽度和背景噪声等参数的测量。其中，前四项是频谱测量中最重要的三个参数，它们都会受到音强的影响。这里所说的音强不是指通过调节扬声器音量旋钮产生的音强变化，而是指演奏者激发该乐器的力度。

图4显示的是圆号以不同力度演奏F4音时的频谱图。从图中可以看出，激发的力度不仅改变了声压级，而且使频谱结构发生了明显的变化，即用扬声器低音量重放乐曲时，听觉仍能识别其中的强奏乐段。因此，在测量频谱结构、共振峰等参数时，被测样本应至少包括pp（很弱）、mf（中强）、ff（很强）三种力度等级。

频率分量的频带宽度是指在（准）稳态阶段，频谱中各频率分量的谱线具有的频带宽度。通常，当几个声源同时发出频率几乎相同的音响时，就会产生这种现象。因此，在单件乐器的测量中通常不测定该参数。由于这种现象在一组人同时演唱或演奏，而每个人的声调又有微小差别时尤为明显，因此也称为合唱效应。这种效应是使弹拨乐小合奏与弹拨乐团演奏时音色不同的原因之一，也是影响群感的重要因素。

背景噪声是指弦乐器的弓弦摩擦声、管乐器的气流声、古琴的手指擦弦声、歌唱的呼吸声等非乐音性质的声音。虽然人们总是尽量避免这些噪声，但实际上它对保持声音的自然特性是必要的，它不仅使音色变得生动，而且避免了听觉出现疲劳的现象。

图5 噪声频谱图

图5是小提琴演奏F6音、长笛超吹F6音时的噪声频谱图。通过对比可以发现，小提琴在基频以下和泛音之间具有较强的宽带噪声，而长笛的噪声级非常低，只有很少的噪声峰值出现在基频附近。较西洋乐器而言，中国的民族乐器普遍具有噪声较大的特点，有些噪声甚至已成为该乐器的特点（如京胡、三弦等）。因此，该参数的测定对于研究中国民族乐器的声学特征来说具有重要意义。

最后，还应注意到演奏技法、激发工具对于频谱的影响。扬琴的击奏或拨奏、古筝义甲的材质等都会对频谱产生较大影响，这些也是频谱测量中应考虑到的问题。

3.6 与时间有关的参数测量

与时间有关的参数测量主要包括音长、起振时间、不谐和分量的衰减特性、衰减时间（混响时间）等参数的测定。与频谱测量类似，这些参数也受音强的影响，因此，被测样本也应至少包括pp、mf、ff三种力度等级。为使测量结果更为直观，最好采用三维动态频谱，以便观察到乐音在起振、衰减过程中各谐音的变化情况。该项测量的一个重要应用就是法国频谱音乐作曲技术。例如，通过在实际音符之前很短的时间内使用相邻频率的音符，可以进一步加强这种强调乐音进入的发音特点。而这种技术的理论依据，就是对乐器的时间参数分析研究的结果。

4 减小测量中主观因素的方法

上文已经提到，乐器声学测量受人为主观因素的影响很大。由于乐器发声的不稳定性，使得测量中存在着许多不可控因素，这些因素都将直接影响测量结果。为减小主观因素的影响，提高测量结果的准确度和可信度，可采用以下方法。

（1）多次测量取平均值

多次测量取平均值是减小主观因素、偶然误差最有效的方法。具体做法是，对于采录样本进行两次或多次采样，并将后期的分析结果进行平均。但这也意味着所有的工作量和成本加倍，在时间和经费条件允许的情况下，建议采用这种方法。

（2）设立监测人员

这里的监测人员是指熟悉被测乐器声学特性的人员，最好具有该乐器的演奏经验。一旦演奏员出现演奏上的问题而且自己没有意识到，监测人员能及时指出并进行重新采样。

（3）设计采录标准

这里的采录标准是指为提高样本的稳定性而采取的、对于被采录样本的特殊要求。这是乐器声学测量中常常被忽略的问题。例如，为获取扬琴的声压级特性，除要求演奏员按规定力度演奏外，还应要求演奏员用单手来演奏，从而减小由于双手演奏产生的力度差异。标准的测录设计通常依据不同乐器的发声及演奏特点，如，测量二胡的声压级要考虑到是用拉弓演奏还是用推弓演奏；测量笙的声压级要考虑到是用呼气演奏还是用吸气演奏；测量笛子、唢呐的声压级要考虑到吹管乐器的换气和呼吸问题等。

（4）消除演奏员的个人习惯

声学测量不同于音乐表演，测量中应尽量避免演奏员在表演时的一些习惯。例如，具有多年演奏经验的二胡演奏家在演奏单音或音阶时，往往无意识地加入揉弦的技巧，而弦乐器的颤音会对指向性造成很大影响。因此，为提高测量的准确度，测量前应告知演奏员在演奏时不应加入揉弦等技巧。

（5）特殊声学环境的影响

消声室具有强吸声的声学环境，由于没有反射的作用，演奏员只能听到乐器的直达声，因此，在演奏时会不自觉地加大音量，从而引入误差。为减小声学环境对演奏员的影响，在测量前应让演奏员在测量环境中预演一段时间，以适应特殊的声学环境。同时，现场演奏时，还应使用声级计对演奏力度进行实时监控。

5 总结

本文对乐器声学测量中容易被忽略的问题做了大致梳理，笔者希望能够通过本文的介绍，唤起广大读者对于乐器声学测量的重视。由于该领域所涉及学科的深度与广度是不可估量的，因此，不仅需要研究者具备广博而扎实的专业知识，更需要有对待科学研究一丝不苟、精益求精的态度。相信，通过不懈的努力，这项事业必会取得长足的进展。

[1] Jürgen Meyer著，陈小平译.音乐声学与音乐演出[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2] 韩宝强.音的历程[M].北京：中国文联出版社，2003.

[3] 陈克安.声学测量[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4] 万平英.声频测量技术[M].北京：国防工业出版社，2006.

[5] 韩宝强.双音钟音乐性能之检测[J].乐器，2002（7）.

[6] 刘京宇.弹拨乐器音色组合的主观偏爱研究[J].演艺科技，2013（5）.