木材对电子弦乐器音质的影响

文/J. Puszy«ski W. Moli«ski and A. Preis 翻译/毋菲菲 孙兆永

一、引言

很多研究充分探讨了木材的声学特性。共振材应该符合乐器生产的特定要求，诸如高品质、无瑕疵、年轮密、密度低、可能弹性模量(MOE)最高的木材[1-4]。然而，该类绝大多数用于了声学乐器及其共鸣板（主要是小提琴）。

关于木材对电子弦乐器的功能和作用人们知之甚少，大多数争议和乐器的音质有关。一些音乐家和生产者认为用于制作该类乐器的木材种类会影响音质，其他人则持相反意见。另一方面，一些木材种类更受欢迎，也比其他种类更经常使用。该类乐器的特点是：在生产中使用了各种各样的木材种类。当然，木材的选择取决于很多其他因素。例如，材料耐久性、尺寸稳定性、质量和美学价值。而且，对音质的主观判断也可能产生争议。此外，电子弦乐器的声音质量还取决于弦、扩音器、扬声器、特殊音效、音乐厅或录音厅等。为评估主观声音感知，应该采用心理声学参数，例如锐度、粗糙感、特征响度[5]。大多数情况下，这些乐器产生声音信号时，唯一的来源是电磁拾音器。这样产生的信号仅依赖于金属弦振动[6-10]。

该研究旨在测试木材种类及其密度和有效性量度是如何影响该种类乐器的音质的。

二、研究方法

为简化设计的复杂性，研究中用模型来代替实际的吉他。每个模型由特定材料的木板做成，木板尺寸恒定，且包含有调谐器、桥接器和连接好的弦（图1）。弦的比例与标准电吉他的相同。共用到了四种木材：枫木（欧亚槭）、白蜡木（欧洲白蜡树）、赤杨木（欧洲赤杨）和雪松（西班牙雪松）。在吉他制作中，枫木、白蜡木和赤杨木是流行的使用木料。雪松则不然，它因密度和有效性量度很低而被选用。四种木板分别由此四种木材种类制成。

图1.在木模基上装有桥接器（c）、调谐器（a）和附属弦（b）的模型，我们也能看到年轮的走向如何

最终切割前，木材经过了特定准备过程。木材来自Mabor制材厂（乌尼亚斯瓦泽达），在制材厂经过三个月的干燥处理的风干毛边材被运到了实验室。从每一个木材样品中制作出一张木板，以便为接下来的三个月做准备（相对湿度：38±2%；温度：17.2±1℃）。随后，木板被切割为成品尺寸。所有木板纹路走向相同，均为纵向。在横截面中，切向方向与木心轴平行。对环境条件来说，所有木板的水分含量是均衡的，各个木材种类的水分含量相近（8%），同时检测了木材性状。样品质量（±0.01g）除以形状规则的木板的三维（±0.05mm），也就是体积，可以求出木材密度。543E型号Clpan材料检测器测量了声波沿纵向传播的速度。根据沿纵向传播的声速和密度，我们计算出了动力学有效性量度。特定的试验台用来让弦良好地振动，模型通常会放在同一位置的吸声垫上。安装了吉他拨片的倒立摆可以给弦源源不断地提供振动所需的能量，拨片相对于琴弦的位置经受了持续检测。

图2. 试验台的组成：麦克风 (1）、电磁拾音器 (2) 和固定在摆上的吉他拨片 (3)

同时，拾音器和麦克风记录了声音（图2）。电磁型主动双圈拾音器：有9V电池供电的Bartolini E 94-D Active,拥有SVAN SV 08A前置放大器的GARS 40 AN麦克风。信号通过Cubase软件上的USB界面Saffire PRO 26记录，所有的录音过程都在消声室中实现。五种不同的弦在每种模型下被录音：频率范围为83～247赫兹，E6-B2。每种组态被录音5次，录制的声音样本用Artemis分析。分析过的心理声学参数包括：粗糙感（roughness）[asper]、锐度（sharpness）[acum] 和 特征响度（specific loudness）[sone]。

三、结果和讨论

本研究所用的木材具有高度可变的密度和有效量度。木材密度范围为：310～691kg/m3，纵向MOE范围为：7097～19653MPa.。从这些数据来看，本次测试采用木材性质的范围比较大。而且，试验结果证实了木料密度和有效量度之间的线性关系（图3）。

图3. 木材密度和弹性模量之间的关系

特定木材品种和弦的麦克风信号测量的粗糙感显示，弦对粗糙感的影响比木料对粗糙感的影响要显著(图4)。该影响是模糊不清的，也就是说每根弦都不同。对于e6弦 (83赫兹)，粗糙感范围为1.48～1.70[asper](赤杨木和枫木)，标准偏差为±0.06。b2弦（247赫兹），粗糙感范围为0.37(枫木)～0.49[asper](雪松)，平均标准偏差为±0.07。我们可以发现，所测得木材种类中，较低的频率给出较大的粗糙感变化，并且标准偏差也较小。

图4.用麦克风记录的每根弦(从左到右依次为：e6, a5，d4, g3, b2)在不同木材上的音频信号的粗糙度测量值的比较

用电磁拾音器信号测出的粗糙感不会过多依赖于木材的种类（图5）。用拾音器(0.3～2.5 asper)录音的每条弦的粗糙感值范围比记录的麦克风信号(1.7～0.37asper)要大得多。木材种类对粗糙感产生的影响较小，这也说明了粗糙感与密度和有效量度无关。

图5.由电磁拾音器记录的每根弦(从左到右依次为：e6, a5，d4, g3, b2) 在不同木材上的信号的粗糙度测量值的对比

用麦克风和用拾音器记录的信号测量锐度的结果和测量粗糙感的结果很相似。这些结果的深入分析显示木材种类的影响是模糊的，没有对粗糙感的影响显著。此外，对用Tukey测试的粗糙感和锐度结果的统计分析表明，木料种类不会明显影响(p=0.9～0.1)体积的分析。

木材种类对用麦克风信号测量的特征响度有一个有意思的影响(图6)。特征响度的范围为：e6弦，8.8～14.4[sone GF]；b2弦，6.31～3.9 [soneGF]。在先前测试过的木材种类中，雪松的粗糙指数最高，白蜡木和枫木的最低。

图6.麦克风信号测得的密度、频率和特征响度之间的关系

图7.麦克风信号测得的密度和特征响度之间的关系

四、结论

基于本研究的结果，可以得到以下结论：

1.木材的种类对录得信号的音色影响不明显，影响主要取决于录音方式（麦克风、拾音器）。

2.对粗糙感和锐度结果的统计分析显示，木材种类对这些参量的影响是不明显的、模糊的。

3.对于用麦克风录得的信号，木材种类会对特征响度有影响。在这种情况下，木材密度和特征响度的关系是线性的（r=－0.7至－0.95）。在拾音器信号情况下，密度和特征响度无关。

注释:

①波兰 波兹南生命科学大学木材科学系 puszynski@gmail.com

②波兰 亚当密茨凯维支大学声学研究所

[1] V. Bucur, Acoustics of Wood. Springer Series in Wood Science, 2nd ed., Springer-Verlag, Berlin 2005.

[2] C. Buksnowitz, A. Teischinger, J. Acoust. Soc. Am.121, 2384 (2007).

[3] T. Ono, M. Norimoto, Rheol. Acta 23, 652 (1984).

[4] U.G.K. Wegst, Am. J. Botany 93, 1439 (2006).[5] H. Fastl, E. Zwicker, Psychoacoustics Facts and Models. Springer series, Springer, Berlin 2007.

[6] T. Fanuel Ban, Analysis of Electric Guitar Pickups, LMS North. America, Huntington Beach (CA) 2010.

[7] H. Fleischer, Dead Spots of Electric Guitars and Basses, popular version of paper 5aMUb6, 1999.

[8] J. Lähdevaara, The Science of Electric Guitars and Guitar Electronics, 2014.

[9] J. Puszynski, “String-wood feedback in electric string instruments”, Ann. WULS-SGGW Forestry and Wood Technology, in press, 2014.

[10] D.T. Rossing, The Science of String Instruments, Center for Computer Research in Music and Acoustics (CCRMA), Stanford (CA) 2010.