电子管风琴技术的前世今生

胡骁阳

（中国音乐学院音乐科技系，北京 100101）

电子管风琴技术的前世今生

胡骁阳

（中国音乐学院音乐科技系，北京 100101）

基于电子管风琴的音源、键盘、音序器、周边控制器等组成部分，介绍了电子管风琴各发展时期的技术特点及所具有的主要功能，并展望前景。

电子管风琴；音源；音序器；控制器；展望

1 电子管风琴的产生与命名

管风琴是世界上最古老的乐器之一，从公元前3世纪起源至今，管风琴的发展跨越了两千多年的历史，而这个进程亦是整个西方音乐发展的进程。管风琴有着复杂、庞大的结构：多层的键盘，众多的音管、音栓，以及复杂的发声原理和操作技术，这些使得管风琴成为一架能发出美妙声音的巨型机器，甚至有的规模庞大到有几层楼高（见图1）。

近几百年来，管风琴发展出适应小型教堂与家用的脚踏式风琴Pump Organ（见图2）与小风琴Harmonium（亦多见于印度音乐中，见图3）等。这些便于搬运的小型风琴造价低廉、自供风力、独立性强，音色虽接近管风琴，但音质尚不尽如人意，这为电子管风琴的诞生埋下伏笔。

图1 管风琴

图3 小风琴Harmonium

图2 脚踏式风琴Pump Organ

19世纪下半叶，随着工业用发电机和发电厂的大规模建成，电力技术开始应用于管风琴的发明。1897年，萨迪厄斯·卡希尔（Thaddeus Cahill）在美国申请发明专利“电动产生和电传分发音乐的技艺装置”（Art of and Apparatus for Generating and Distributing Music Electronically）获得批准，1901年，卡希尔根据自己的专利研制了第一台电传簧风琴（Telharmonium），如图4所示，该琴的控制台和键盘是独立的，主体部分（主要是一种特殊的电动机与电话线）大到能填满音乐厅地板下的整个地下室。特殊电动机的轴上装了许多带锯齿的磁铁盘，电动机带动磁铁盘转动形成旋转磁场，定子线圈在旋转磁场作用下感应产生交流电信号，锯齿的多少决定感应电流的频率，即音高，将此交流电信号接入电话听筒可以听到相应频率的声音，不同频率的声音经过叠加能得到丰富的音色；此交流电信号可以用电话线传输到音乐厅的扬声器甚至千家万户。这是乐器史上第一台电鸣乐器，也是电子音乐史上第一次提出“音色合成”与“加法合成”的概念。

1934年，美国人劳伦斯·哈蒙德（Laurens·Hammond）承袭卡希尔的技术，对电传簧风琴进行改良，发明了哈蒙德风琴，见图5。由于电传簧风琴问世时真空电子管还没有问世，为了得到足够大的音量而选用庞大的绕组以便产生高压音频交流信号，哈蒙德风琴则应用真空电子管放大器可以将弱信号放大，大大节省了空间与制造成本。哈蒙德风琴被认为是电子音乐史上最成功的风琴之一，全世界约存有两百万台。

20世纪50年代，日本雅马哈公司将哈蒙德风琴的专利购买下来，并于1959年研制出世界上第一台立式电子管风琴，取名Electone（即Electronic Tone的组合词，译为“电子之声”）。电子管风琴将传统的音栓体积减小，可以轻而易举地安放在琴的两侧，甚至键盘和踏板的旁边还配有可编程的音色存储按钮，这样演奏者就不必在现场演奏时更换音栓。由于键盘不再需要机械连杆直接连接，演奏台也就不用局限在一个固定位置，可以任意移动。现在常见并熟悉的电子管风琴是日本于1991年之后生产的EL及ELS系列。

“双排键电子琴”是雅马哈对其电子管风琴的称呼。世界上电子管风琴品牌有十余个，因为与管风琴的演奏方式、记谱方式一脉相承，所以国际通用叫法是ElectronicElectrophonic（电声）Electrotonic Organ（电子琴）。很多电子管风琴的键盘实际上不仅有双排的形式，还有三排的或者更多，德国WERSI旗下某些型号的电子管风琴就包含三层手键盘，见图6，其他品牌甚至有四层手键盘。这表明在国内甚至亚洲范围内俗称的“双排键”一词不甚严谨，且容易误读，甚至局限了大家的思维。笔者认为，国内应先将其命名统一，至少中英文互译要恰当意明。

2 电子管风琴音源与键盘功能的发展简述与展望

电子管风琴和其他电子产品一样, 随电子技术的发展而更新换代，按照音源发声原理和相应的键盘类型可分为四个阶段。

2.1 模拟音源和无力度感应键盘时期

20世纪五六十年代，电子元件正值真空电子管与晶体管交替换代的时期，电子管风琴的音源普遍采用晶体管等分立元件构成的音源发声器，通过分频电路产生音阶，音色也多是分立元件的模拟电路产生，以管乐音色为主，加以颤音的夸张修饰，但总体听觉似像非像，电子味浓，和弦伴奏也比较简单，可用的声音效果屈指可数。

图4 电传簧风琴（Telharmonium）

图5 哈蒙德风琴

图6 三层手键盘的电子管风琴

早期的电子管风琴键盘手感极差，不仅机械结构不够灵敏，而且不具备如今最基本的力度感应功能，对于今天的电子管风琴演奏者来说是难以忍受的。但在当时，该种键盘已经是最尖端技术的结晶，曾带给那一代人艺术上的享受，使他们感受到了电子乐器的魅力，也激发了早期电子管风琴演奏者对这种乐器的热情。

2.2 FM音源和压敏导电橡胶电子键盘时期

到了20世纪七八十年代，雅马哈发明了FM（Frequency Modulation，频率调制）音源技术，其原理与FM调制技术没有原则上的差异，并迅速应用到其电子琴和电子合成器产品上。它依据傅里叶变换的理论，在声学领域，利用傅里叶变换可将任何复杂的波形分解为若干简单的正弦波基波和一系列谐波的叠加组合；FM技术是傅里叶变换的逆向过程：用基波和一系列谐波叠加组合成复杂的乐器声音。它利用模拟技术或数字技术的振荡器先产生简单的正弦波波形，然后再用FM调制器对它进行调制产生出具有载波和一系列谐波的复杂的波形，调制后再对其进行滤波修改、放大、效果叠加，从而得到多彩的声音。这里FM载波就是基波，是与键盘的音程成比例的频率，谐波是载波与n次调制波的和差频率，是决定音色的信号。这种FM调制没有解调的必要。如果用示波器来研究某个音色所包含的波形，并对波形进行分解处理，分析出波形的细节，就可以用FM技术模拟出近乎真实的声音。

采用FM音源的电子管风琴克服了模拟电路音色模糊、混浊的缺点，以清新、纯净、明亮的新特性使音乐效果更趋合理。但由于FM技术依靠电声技术的成分过多，而且FM运算器的数量往往有限，造成波形的变化过于规律，呈线性变化，但日常生活中变化多端的声音却不是如此规律，所以，FM音源电子管风琴的优势并不在于产生真实乐器的声音，而在于产生电子味道很浓的特殊音色。

此时，键盘领域也发生了一场技术革命，这个革命的标志就是压敏导电橡胶被引入电子键盘乐器领域，见图7。压敏导电橡胶的特点是随着压力的不断增大，本身的电阻会不断变小。将其装在键盘上替代原来阻值不变的金属片，能感受到触键的力度（准确地说应该是下键的速度），并在音量和音色上体现出来，这项技术被应用到了电子管风琴领域，大大增强了其表现能力，使电子管风琴的发展进入到了一个新的时代。从此，键盘开始以百倍于原来的速度发展。

2.4 PCM 音源时期

20世纪80年代中后期，PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制）技术得到了广泛采用，克服了FM音源的生硬、干涩的缺点。PCM音源技术原理是：对真实的模拟声音如乐器声样本进行采样、量化、压缩编码，变成数字信号，然后对数字信号进行处理，就可以对原始声音进行创造性地改造，使之产生全新的声响。这种技术和FM技术的结合，创造了更贴近人们真实生活环境的声音。

图7 压敏导电橡胶的电子键盘

2.5 AWM音源和配重触后系统键盘时期

20世纪90年代后期，电子管风琴随着计算机技术的飞速发展和制造工艺的日益精湛，逐步跨越传统模式，成为集电子琴、电子合成器、电脑编曲机的融合体。这时，电子管风琴采用 AWM（Advanced Wave Memory，高级波形记忆回放系统）音源和 VA（Virtual Acoustic，虚拟原声乐器）音源，在音色创造力方面有了质的飞跃。 AWM音源的工作原理是：采集音源在最有特点的音域发出的几个音，然后再对所记录下来的声音的音高、产生和衰减时间、上升率、衰减率进行调整，把调节好的声音按音区分配给键盘，从而达到逼真地还原采样前的声音效果。尽管AWM技术是回放来自真实乐器、经典合成器或电子声、自然声的采样波形，但AWM系统也提供了包络器、调制器、滤波器对采样波形进行修改和再创作。因此，AWM系统的优点不仅在于它杰出的还原真实音响的能力，也在于它对声音的修整能力。一个音色中最多可以叠加4种波形（4层），因此使音色更有层次、更宽广，音乐表情也更为丰富。

另一方面，VA音源将基于计算机的复杂 “物理模型”技术应用在音乐声音合成上。这项技术最早由雅马哈研发于20世纪80年代，属于一种新型合成技术，用来合成电子管风琴上的领奏音色（因其复音数只能为1），彼时的HS-8型电子管风琴上可以看到这种技术的雏形。后来，雅马哈与美国斯坦福大学（Stanford）共同开发这项技术，申请了专利，并注册了商标。用这项技术产生的声音较常规合成方法产生的音色更接近于真实乐器的声音。VA音源在音乐演奏方面具有很多优势，不仅体现在音质方面，并且在声音的性能方面，使得仿效的乐器音效更具音乐性。VA音源擅长模拟在实际木管乐器或弦乐器上发生的复杂振动、共振、反射和其他声学现象，从嘴唇动作到吹气强弱模仿得维妙维肖；同时，可以创造现实中并不存在的假想乐器声。

20世纪80年代末，键盘的配重和触后系统相继被发明出来。配重系统能成功地模拟钢琴的击弦感觉，使电子管风琴的触键手感告别了迟钝和干涩，即使在不插电的情况下，演奏员触摸键盘也是一种享受。新的触键后技术（After Touch）可令手指在下键后持续施压时，键盘可以做出相应反应，此项功能可以用来模仿大量乐器在发声瞬态后的音色与音量变化。水平触键（Horizontal Touch）功能可以模仿类似揉弦的技术来控制音高的变化，触键前（Initial Touch）的下键速度除了可以决定音量大小之外，还能体现特殊乐器的奏法（如在琵琶的拨弦与轮指技法间切换）。这些技术的引入极大提高了电子管风琴演奏的艺术效果，使电子管风琴的感情表达能力在继力度键盘发明之后又上升到一个新的高度。

2.6 AEM时期

进入21世纪，雅马哈在音源技术上有了突破性的进展，在模拟真实乐器甚至人声的技术上有了长足的进步，最新型的雅马哈ELS-02系列（2014年上市）。电子管风琴在原有的AWM技术之外，还包含了雅马哈最新开发的清晰元素建模（Articulation Element Model）技术，并将其运用于超清晰音色（Super Articulation Voices）技术中，旨在重现原声乐器平顺、自然、不失真的音色，并力求真实地重现演奏乐器时的多种演奏技巧（如拍吉他音板、用拨片弹出泛音声、萨克斯的滑音等）以及演奏原声乐器音色时，因特殊演奏手法所伴随的噪声（如吉他上真实的手指滑弦声、电钢琴键盘的运动噪声、吹管乐器的气息噪声等），想实现这些演奏技法需要在LCD（液晶显示器）操控面板中进行设置，并在演奏时由音量踏板上的左踏板开关（Left Foot Switch）控制。ELS-02系列较上一代ELS-01系列，中国民族乐器音色有所增加，如板胡、马头琴、葫芦丝、柳琴、三弦等。新的演奏技术带来了新的演奏方式，对演奏者的全身协调统一提出了更高的要求。

2.7 未来期待

总的来看，电子管风琴从诞生之日起，就在不断追求最大化还原真实乐器的音色与丰富电子音色的种类，并尽力调动演奏者各部分肢体用于控制乐器。令中国消费者欣喜的是，近几年来，有更多的中国民族乐器音色添加到各类电子管风琴的音色库中。但中国民族乐器单拿出任何一件，都有着丰富的演奏技法，单说古琴就有挑摘、抹打、剔劈、勾托等多种激励方式，更遑论另一只手的按弦技法了。不过，用MIDI键盘演奏民乐音色的技术在国内已经实现，其演奏效果亦莫辨楮叶。在演奏过程中，需要在弹奏音符的同时，按下不常用的低音区的某些琴键来实现多种技法的变化，这种方法类似于ELS-02系列上的左踏板开关（Left Foot Switch）,但后者只有开和关两种状态，想要实现在电子管风琴上表达出中国民族乐器多种（或至少选取有代表性的）演奏技法，还需要更多的调控装置。同时，在追求对“声”的模仿技术时，亦应注重对“韵”的追求，两者缺一不可，这就对一直将电子管风琴当作西洋乐器来练习的演奏者们提出了新的要求。希望在不久的将来，同等的民族乐器音色技术也能应用在电子管风琴中，使之能更真切地表达中国音乐作品，并伴有更多的中国电子管风琴乐曲活跃在国际舞台上。

3 电子管风琴音序器的历史回顾与展望

无巧不成书，最原始的音序器恰恰见于管风琴内。公元9世纪，波斯发明家Banū Mūsā三兄弟研制出最早的机械乐器——水力风琴（hydro-powered organ）。如图8所示，水力驱动装置是由一个大齿轮带动一个大型圆柱体同步转动，圆柱体表面上带有凸起的销，按照预设的排列方式（多数为人为演奏的“录音”，即演奏的音符以表格的形式被记录下来，类似于今日音序器软件中常见的“钢琴卷帘”，这也是在录音技术发明之前除记谱外的另一种记录音乐的方式，可见录音技术也与管风琴颇有渊源）触发琴键发声，这种结构简易的音序器同时也是最早能自动演奏并“可编程”的乐器之一。

15世纪，一种手摇风琴（Barrel Organ）开始见诸街头，见图9。其核心装置由带销圆柱改为打孔的纸板或金属片，如图10所示，使得乐器能演奏更长的乐曲，并因减少磨损（由固体接触变为纸板挡住风孔）而延长了使用寿命。这种出现于文艺复兴时期的小型手摇驱动装置甚至推动了管风琴音乐世俗化的发展。而这种风琴音乐直到留声机、广播、有声电影诞生之前一直是西方国家主流的音乐娱乐方式之一。而表格式的表达方式亦为今日电子管风琴内音序器程序的产生提供了原型。

严格地说，电子管风琴上的音序记录部分不应叫 “音序器”，称“音乐磁盘录音机”（Music Disk Recorder ，MDR）更为准确。音序器的作用一方面像普通的磁带录音机，用来记录乐曲中各种信息数据；但另一方面比MDR更为复杂，能记录各声部的音色，每个音符的力度、时值、触后等控制信息。它可以在演奏一首多声部乐曲时，将无法同时弹奏的声部先记录下来，在正式演奏时予以重放，与现场演奏融为一体，使音乐效果更加丰富；还可将记录好的乐曲信息在其他支持同样格式的回放设备上进行重放，取得与制作时完全相同的效果，为音乐作品的交流提供了便利的条件。

“音序器”的作用不单是记录信息，更重要的是拥有对所记录信息强大的编辑能力。MIDI（Musical Instrument Digital Interface，乐器数字接口）技术的诞生，使得现代电子管风琴中MIDI格式的音序文件可以在计算机音序器软件上进行修改与编辑。人手毕竟不如机器精确，演奏录制下来后，节奏、音量、表情等信息可能会有细微的偏差，导致回放时达不到令人满意的效果。而计算机音序器软件中的量化功能（quantization）是解决这一问题的手段之一。利用这一功能，将音序文件导出，并交由计算机软件来完成，这种编辑能力是MDR所不具备的。未来，能否将量化功能集成到电子管风琴中，通过琴上液晶触摸屏完成选择需要量化的片段与声部等操作，而不需要太繁琐的程序设计呢？

4 电子管风琴周边控制器的历史回顾与功能介绍

图8 水力风琴

图9 手摇风琴

图10 以打孔板为音序载体的电子管风琴

由于演奏者在键盘上无法控制风箱鼓风，所以按键力度的大小与所发出的音量大小无关。早期管风琴音乐的力度变化多为段落式的，即不同段落间通过增减音栓改变音量，所以力度变化是阶梯式的。到了19世纪，法国工程师卡伐叶（Aristide Cavaillé-Coll, 1811—1899）所设计的管风琴在脚键盘深处增加了音量踏板（Swell Pedal）和表情踏板（Crescendo Roller），如图11所示。音量踏板能通过控制挡板从而控制进入音管内的风量大小，进而改变音量以及小幅改变音质。表情踏板会随着转动角度的不同而开启或关闭音栓，若将踏板从最后（靠近演奏者方向）踩到最前，即音栓数由少到多，就能表现出从最弱到最强的一个渐强（Crescendo）过程，反之是渐弱（Diminuendo）。

由于音乐的变化自巴洛克后期便开始逐渐丰富，这就使演奏者的右脚在演奏时需长时间操控音量踏板。为了顺应这种发展方向，现代电子管风琴的音量踏板上装配两个踏板开关（Foot Switch），使右脚在不离开踏板的情况下进行存储（Memory）或注册（Regist，俗称“道”）的转换以及上文提到的左踏板开关的操作。表情踏板与音量踏板不同，其触感与功能类似于弯音轮（Pitch Bend），松开后会自动回归平衡位置，除改变音高外还可以设定改变速度。

在演奏电子管风琴时，脚会演奏相应的低声部旋律，而如果双手演奏钢琴声部，有时会需要用到延音的功能，这时膝控开关（Knee Switch，见图12）便开始发挥作用。打开膝控开关的延音功能后，将膝控开关推下，再用膝盖持续压迫即可使其发挥延音功能。除此之外，膝控开关还可以实现控制上键盘（Upper Keyboard）Lead 2组音色的独奏、各声部的滑音开关等功能。

5 更多技术的融合及展望

雅马哈电子管风琴在编辑音色时有一个便捷的音色群组复制功能，即将不同Memory、不同声部之间的音色进行复制。新型的STAGEA 02系列将每个Regist中的16个Memory扩充到了80个，并分为5个Bank，且将Regist的概念换为Unit，所以现在有”1 Unit=16 Memory × 5 Bank”。这就在一定程度上解决了老型号中Regist切换时加载时间过长的问题。遗憾的是，现在还不能跨Bank进行音色群组的复制，一旦跨Bank的复制，就相当于把整个Bank的16个Memory全部复制过去，而不能把Bank B中Memory 1的Upper Voice 1复制到Bank A中Memory 6的Lower Voice 1上。也许雅马哈考虑的是避免操作失误（一整个Bank的音色被抹掉）所带来的损失，不过未来会不会提供让用户在设置中自行选择这一功能呢？

Wi-Fi是时下较热门的通信技术，市面上不乏高质量的Wi-Fi音响设备。电子管风琴是否也可以运用此技术，通过Wi-Fi传递音频信号，从而将笨重的扬声器与琴体剥离，达到方便搬运的目的呢？

社交类应用程序与云技术的应用亦是时下热门的通信与资源共享技术，新型的ELS-02系列既然具备了用户自订音色的功能。未来能否更开放一些，通过琴上的“INTERNET”键来与朋友分享自己独门秘方调制出来的音色或灵感迸发时所创作出来的作品呢？一些小众的音乐风格会不会就此得以发展呢？

图11 音量踏板和表情踏板

图12 膝控开关

人机交互融合了多种技术的应用，触摸、语音、体感等依旧是人机交互的初步阶段。未来的电子管风琴能否实现不断优化学习的功能，当演奏者观看屏幕时，屏幕也可反观演奏者，了解人的状态，进而做出相应调整呢？比如依演奏者的体型改变琴凳高度，依演奏者的腿部力量改变脚键盘的阻尼与刚性程度；甚至观测人体的健康状况，与音乐治疗专业相结合，给出需要演奏何种类型曲目或对音乐细节处理的建议。

（编辑 杜 青）

Past and Present of Electronic Organ Technology

HU Xiao-yang
(Music Department of Science and Technology, China Conservatory of Music, Beijing 100101, China)

Based on the part of the electronic organ which includes audio sources keyboard, sequencer, peripheral controllers, etc., the author describes the technical characteristics of each development period and the main function, and prospects for the future.

electronic organ; audio source; sequencer; controller; outlook

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.05.002