人工皮二胡与蟒皮二胡声学特性的对比研究*

李昊辰，付晓东

（1.北京市大峪第二小学，北京 102300；2.中国音乐学院，北京 100101）

皮膜作为二胡声能的共振体与辐射体，其材料性能对二胡音色起着非常重要的影响。采用传统蟒皮的二胡，其不同个体间的音色存在一定差异，且易受环境温度、湿度影响。此外，使用蟒皮制作的二胡，还存在有违反环保公约与限制出境的问题，这对二胡艺术的发展产生了一定的制约。

国家林业局于2004年出台《中国野生动物经营利用管理专用标识》的规定，由此兴起了替代蟒皮新型材料研究的热潮。市场上涌现出大量二胡人工皮膜材料，包括合成纤维织物为基底的复合膜、聚酯膜底与纤维骨架复合膜、单层或多层聚酯膜底等各种类型的人工皮膜。然而，由于材料结构与性能的多样性，二胡人工皮膜并无统一的质量标准与评测体系，演奏者也对其音响质量、演奏性能的评价褒贬不一。

因此，运用科学手段对二胡人工皮膜进行检测与评价，以此规范市场，确立质量标准，可以对二胡乐器产业与二胡艺术的发展产生重要的推动作用。本文将从音乐声学的角度入手，对市面上常见的四种人工皮二胡进行声学检测分析，并从客观层面进行对比评测。

1 实验准备

1.1 琴体与皮膜的选择

为了最大程度地保证实验的客观性，本次实验用到八把六角型二胡，琴体均由某乐器厂采用同批次科特迪瓦紫檀木料，于2018年3月统一制作而成。除琴体外，这八把二胡的琴弦、千斤等，也均采用同品牌、同批次部件。八把二胡琴体蒙制以不同类型的皮膜，但保证其琴码、垫布及琴弓等部件的同一性，有效保证实验过程中皮膜为唯一变量。

八把二胡中的四把为蟒皮二胡，四把为人工皮二胡。蟒皮二胡1与蟒皮二胡2的琴皮来自同一条蟒蛇的不同部位，蟒皮二胡3与蟒皮二胡4的琴皮来自另一条蟒蛇的不同部位。四把人工皮二胡分别选择市面在售的价格最低、价格最高，以及添加棉线、添加玻璃纤维的四种人工皮，分别命名为人工皮二胡1、人工皮二胡4、人工皮二胡2和人工皮二胡3。

1.2 音频录制与音频分析

本次录音共使用2支传声器，型号均为DPA4006全指向传声器，传声器摆放在二胡演奏者后方45°位置，距离琴筒1 m，距离地面高度78 cm，与琴筒保持水平。拾音方式如图1所示。

本次采样过程中，担任二胡演奏的人员均为中国音乐学院二胡专业本科四年级学生，录音系统为ProTools HD数字音频工作站，采样频率为48 kHz，采样精度为24 bit。音频分析软件采用GMAS 2.0通用音乐分析系统与Sonic Visualiser 3.2音频分析软件，数据分析则采用Matlab 8.5。此外，采用B&K2250声级计测量不同皮膜二胡的音强。

图1 拾音方式示意图

图2 蟒皮二胡1平均音强统计图

图3 蟒皮二胡2平均音强统计图

图4 蟒皮二胡3平均音强统计图

图5 蟒皮二胡4平均音强统计图

2 不同材质皮膜对二胡音强的影响

音强又称“响度”或“音量”，单位为分贝（dB）。音强与音高、音色、音长并称为“乐音四要素”，是评价乐器声音的一个重要指标。

本次实验声级计摆放的位置与录音的传声器位置相同，计权方式为A计权。以下平均音强统计图中的数据为三名演奏员三次演奏的平均值。

2.1 蟒皮二胡音强

图2为蟒皮二胡1平均音强统计图。蟒皮二胡1全音域内音强最大的音是G4，其响度为92.85 dB；音强最小的音是#F7，其响度为51 dB；动态范围最大的单音是E6，其数值为28.75 dB；动态范围最小的单音是D7，其数值为10.9 dB。蟒皮二胡1在G5—#F6之间存在明显的响度低谷①，在G6—#F7之间音强呈现出明显的下降趋势。

图3为蟒皮二胡2平均音强统计图。蟒皮二胡2全音域内音强最大的音是G6，其响度为94.1 dB；音强最小的音是D6，其响度为56.55 dB；动态范围最大的单音是E4，其数值为25.95 dB；动态范围最小的单音是D7，其数值为10.7 dB。蟒皮二胡2在G5—G6之间存在明显的响度低谷，在G6—#F7之间音强衰减较为平缓。高低音区的响度表现整体较为均衡。

图4为蟒皮二胡3平均音强统计图。蟒皮二胡3全音域内音强最大的音是G4，其响度为94.6 dB；音强最小的音是#F7，其响度为56.05 dB；动态范围最大的单音是#F6，其数值为26.4 dB；动态范围最小的单音是#C7，其数值为9 dB。蟒皮二胡3在G5—G6之间存在明显的响度低谷，A6—#F7之间音强呈现出较为明显的下降趋势。

图5为蟒皮二胡4平均音强统计图。蟒皮二胡4全音域内响度最大的音是G5，其响度为96.85 dB；音强最小的音是D6，其响度为56.15 dB；动态范围最大的单音是#C7，其数值为25.1 dB；动态范围最小的单音是A6，其数值为12.85 dB。蟒皮二胡4在A5—G6之间存在明显的响度低谷，A6—#F7之间音强呈现出较为明显的下降趋势。不同音区的响度表现整体较好。

总体来看，4把蟒皮二胡在音强方面的表现具有一定的统一性，如在G5—G6之间存在响度低谷，皮膜出自同一块蟒皮不同部位的蟒皮二胡3及蟒皮二胡4，在A6-#F7之间音强均出现明显的衰减趋势。表现较为突出的是蟒皮二胡2和蟒皮二胡4，尤其在高音区域（G6—#F7），音强走势相对较稳定。同时，这两把二胡的皮膜选材，也是四把二胡中部位相对较好的两块皮膜。

2.2 人工皮二胡音强

图6为人工皮二胡1平均音强统计图。人工皮二胡1全音域内音强最大的音是#F4，其响度为95.1 dB；音强最小的音是D7，其响度为53.05 dB；动态范围最大的音是B5，其数值为30.1 dB；动态范围最小的音是D7，其数值为18.1 dB。人工皮二胡1有两个音强能量的响度低谷，在A6—D7之间音强呈现出较为明显的下降趋势。

图6 人工皮二胡1平均音强统计图

图7 人工皮二胡2平均音强统计图

图8 人工皮二胡3平均音强统计图

图9 人工皮二胡4平均音强统计图

图7为人工皮二胡2平均音强统计图。人工皮二胡2全音域内音强最大的音是E4，其响度为97.85 dB；音强最小的音是E6，其响度为53.15 dB；动态范围最大的音是A4，其数值为28.25 dB；动态范围最小的音是B6，其数值为11.75 dB。人工皮二胡2在D4—E6之间音强总体呈下降趋势，A5-G6及A6—E7之间存在两个较为明显的响度低谷。

图8为人工皮二胡3平均音强统计图。人工皮二胡3全音域内音强值最大的音是#F4，其响度为95.05 dB；音强最小的音是#F7，其响度为51.1 dB；动态范围最大的音是B5，其数值为25.5 dB；动态范围最小的音是G6，其数值为15.05 dB。人工皮二胡3在强力度演奏时，音区从低到高的响度值总体呈下降趋势；弱力度演奏时，在G5—G6之间存在明显的响度低谷，G6—#F7之间音强呈现出较为明显的下降趋势。

图9为人工皮二胡4平均音强统计图。人工皮二胡4全音域内音强最大的音是#F4，其响度为95.55 dB；音强最小的音是#F7，其响度为51.25 dB；动态范围最大的音是#F4，其数值为28.2 dB；动态范围最小的音是B6，其数值为16.55 dB。人工皮二胡4在G5—G6之间存在明显的响度低谷，G6—#F7之间音强呈现出较为明显的下降趋势。

总体来看，四把人工皮二胡在音强方面的表现各不相同，但同时也存在一些共性。人工皮二胡1在G5—G6之间的音强表现强于其他二胡，人工皮二胡1与人工皮二胡2在A6—E7之间出现第二个音强响度低谷。人工皮二胡3和人工皮二胡4均为G5—#F6之间出现响度低谷，G6—#F7之间音强呈现出下降趋势。人工皮二胡4全音域内音强走势与蟒皮二胡的走势较为接近。高音区域（A6—#F7）音强能量衰减幅度较大，是人工皮二胡面临的共同问题。

2.3 人工皮二胡与蟒皮二胡的音强对比研究

2.3.1 动态范围

动态范围的数据为每一把二胡在不同演奏员多次演奏时，其全音域所有数据中最大值与最小值的差值。表1为动态范围统计表。

从表1可以看出，八把二胡中，动态范围最大与最小的两把二胡分别是人工皮二胡2与蟒皮二胡4。蟒皮二胡中，蟒皮二胡1动态范围最大，为43.6 dB；蟒皮二胡3动态范围最小，为36.8 dB。人工皮二胡中，人工皮二胡2动态范围最大，为46.6 dB；人工皮二胡1的动态范围最小，为41.55 dB。八把二胡的动态范围从小到大排序依次为：蟒皮4＜蟒皮3＜蟒皮2＜人工1＜蟒皮1＜人工3＜人工4＜人工2。总体来看，人工皮二胡较蟒皮二胡的动态范围大。

表1 动态范围统计表（单位：dB）

表2 标准差统计表

2.3.2 标准差

标准差又称均方差，在概率统计中最常使用作为统计分布程度上的测量。标准差的定义是总体各单位标准值与其平均数离差平方的算术平均数的平方根。它反映组内个体间的离散程度。可以说，标准差数值越小，表示这一组数据越稳定。表2为标准差统计表。

从表2可以看出，弱力度时，标准差由小到大排序依次为：蟒皮2＜人工1＜蟒皮1＜蟒皮4＜人工3＜蟒皮3＜人工4＜人工2；中强力度时，标准差由小到大排序依次为：蟒皮2＜蟒皮4＜蟒皮1＜人工1＜蟒皮3＜人工3＜人工4＜人工2；强力度时，标准差由小到大排序依次为：蟒皮4＜蟒皮2＜蟒皮1＜蟒皮3＜人工1＜人工4＜人工3＜人工2。总体来看，人工皮二胡较蟒皮二胡的标准差大。

2.4 小结

蟒皮二胡中，蟒皮二胡2标准差较小，体现出音强变化相对平稳、整体音强相对统一的特点，同时其自身的动态范围较大，在四把蟒皮二胡的音强测试中显示出一定的优势。

四把人工皮二胡在音强方面的表现各不相同。人工皮二胡1标准差数值较小，音强整体较稳定，但其动态范围较小；人工皮二胡2音强能量较大，但标准差数值较大，音强波动较大；人工皮二胡3及人工皮二胡4音强变化走势与蟒皮二胡具有一定的相似性，动态范围数值较蟒皮二胡大，但标准差数值较大，音强能量波动较大，同时高音区音强衰减明显。

整体看来，八把二胡在D4—#F5之间的音强变化趋势较为平稳。在G5—G6之间存在一个音强响度低谷，结合上述测量数据，基本可以认为D6音是二胡的响度低谷最低点。同时，二胡G6以上的音，音强再次出现明显的下滑趋势，单音能量及动态范围整体均较小。这反映出二胡琴体本身的声学特性。好的二胡往往能够弥补琴体自身的缺陷，在以上音区有更好、更稳定的表现。

图10 蟒皮二胡D4音时域频谱图

3 不同材质皮膜对二胡音色的影响

3.1 前五谐音时域频谱图

分别选择二胡内、外弦的两个空弦音D4、A4进行分析与对比。

3.1.1 二胡D4音前五谐音时域频谱

图10～图11为蟒皮二胡、人工皮二胡D4音时域频谱图，图中按左上、右上、左下、右下依次为二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

从图10中可以看出，四把蟒皮二胡内弦空弦音D4均为基音能量最弱、第二谐音能量最强。蟒皮二胡1与蟒皮二胡2的前五个谐音中，均有一个谐音出现的时间较晚。蟒皮二胡3与蟒皮二胡4谐音的能量排序基本一致，第二谐音＞第三谐音、第五谐音＞第四谐音＞第一谐音。

从图11中可以看出，四把人工皮二胡内弦空弦音D4的前五个谐音中，能量最强的谐音均为第二谐音、最弱的均为第一谐音。第五谐音能量整体波动较大，人工皮二胡1与人工皮二胡2的第五谐音能量整体较弱。人工皮二胡3前五个谐音的能量排布方式与蟒皮二胡大体相似，人工皮二胡2和人工皮二胡4中第一谐音、第二谐音、第三谐音和第四谐音与蟒皮二胡3及蟒皮二胡4的排列方式相似，但人工皮二胡第五谐音的能量显著低于蟒皮二胡。

3.1.2 A4音时域频谱图

图12～图13为蟒皮二胡、人工皮二胡A4音时域频谱图，图中按左上、右上、左下、右下依次为二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

从图12中可以看出，四把蟒皮二胡外弦空弦音A4的前五个谐音中，除第五谐音以外，其他谐音能量从大到小依次为第四谐音、第一谐音、第三谐音、第二谐音。不同二胡第五谐音的能量具有较为明显的区别，蟒皮二胡3第五谐音能量最强，蟒皮二胡4能量最弱。四把蟒皮二胡基音的出现时间均较其他谐音早。

从图13中可以看出，四把人工皮二胡外弦空弦音A4的前五个谐音中，能量最强的为第一谐音，第三谐音能量较强，第五谐音能量整体较弱。人工皮二胡1谐音间能量差距较大，人工皮二胡3谐音间能量差距较小。

八把二胡外弦空弦音A4的前五个谐音中，蟒皮二胡能量最强的均为第四谐音，人工皮二胡能量最强的谐音均为基音，八把二胡的第三谐音均为各自频谱图中能量第二强的谐音。不同蟒皮二胡第五谐音的能量具有较为明显的区别，而不同人工皮二胡的第五谐音能量整体较弱。

图11 人工皮二胡D4音时域频谱图

图12 蟒皮二胡A4音时域频谱图

3.2 非谐波成分

本部分数据是将spear频谱中的所有谐波去掉，剩下的非谐波成分。横轴代表时间，纵轴代表频率。分别选择二胡内、外弦的两个空弦音D4、A4进行分析与对比。

3.2.1 D4音非谐波成分

图14、图15分别为蟒皮二胡、人工皮二胡D4音非谐波成分图，从左到右依次为二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

总体来看，人工皮二胡内弦空弦音D4在起振阶段存在大量的非谐波成分，非谐波成分的频率范围从小到大排序依次为人工皮二胡1、人工皮二胡3、人工皮二胡4、人工皮二胡2。在稳定阶段，四把二胡都有三条较为明显的噪声频带，300 Hz～1 000 Hz为第一条噪声频带，人工皮二胡1、人工皮二胡2的第二条噪声频带窄于人工皮二胡3和人工皮二胡4，3 500 Hz以上为第三条噪声频带。人工皮二胡1与人工皮二胡2的非谐波成分显著少于人工皮二胡3与人工皮二胡4。人工皮二胡内弦空弦音D4的非谐波成分整体少于蟒皮二胡。

图13 人工皮二胡A4音时域频谱图

3.2.2 A4音非谐波成分

图16、图17分别为蟒皮二胡、人工皮二胡A4音非谐波成分图，从左到右依次为二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

外弦空弦音A4的非谐波成分整体少于内弦空弦音D4。八把二胡的起振阶段均在较宽的频率范围内存在大量的非谐波成分。在稳定阶段，四把蟒皮二胡都出现了三个较为明显的非谐波频带，且同一把二胡在内、外弦空弦音中，三个非谐波频带范围基本重合。总体来看，300 Hz～1 000 Hz为第一非谐波频带、1 500 Hz～2 800 Hz为第二非谐波频带、3 400 Hz以上为第三非谐波频带，第二非谐波频带的带宽范围较大，非谐波成分较多。人工皮二胡3与人工皮二胡4的非谐波频带与蟒皮二胡的非谐波频带的特征整体较为相似，但两把二胡内弦空弦音的第三非谐波频带频率均较高。人工皮二胡1与人工皮二胡2较为明显的噪声频带均为两个，非谐波成分整体较少，各非谐波频带的带宽较窄。

图14 蟒皮二胡D4音非谐波成分图

图15 人工皮二胡D4音非谐波成分图

3.3 频响曲线

图18、图19分别为蟒皮二胡、人工皮二胡频响曲线图，图中按左上、右上、左下、右下依次为二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

整体来看，八把二胡均为两个共振峰带。第一共振峰能量峰值在500 Hz左右，第二共振峰能量峰值在1 600 Hz左右。可以看出，人工皮二胡与蟒皮二胡的频响曲线图中，能量分布具有一定的相似性，但人工皮二胡的峰值能量整体大于蟒皮二胡。四把蟒皮二胡的两个共振峰之间的能量落差整体较小，四把人工皮二胡两个共振峰之间的能量落差整体偏大。

图16 蟒皮二胡A4音非谐波成分图

图17 人工皮二胡A4音非谐波成分图

图18 蟒皮二胡频响曲线图

图19 人工皮二胡频响曲线图

4 总结

从客观数据来看，人工皮二胡在音强、音色两方面，与蟒皮二胡均具有一定的相似性。同时，不同品牌的人工皮二胡也有各自的特点，如动态范围大、非谐波成分少。四把人工皮二胡中，人工皮二胡3和人工皮二胡4的各项音乐声学指标综合表现具有一定优势，并与传统蟒皮二胡的声音特征较为接近，可以作为人工皮二胡进一步发展完善的样品。

当然，二胡人工皮的表现并不能仅由客观测量数据来决定，因为音乐是听觉艺术，乐器演奏本身也是行为艺术，声学指标并不是评价人工皮与蟒皮二胡孰优孰劣的唯一依据。从听觉层面来看，二胡音响的艺术品质的高低，还必须通过人的主观听觉来评测。从行为层面来看，二胡乐器的演奏性能的优劣，也需要演奏员的主观体验来判定。由此可见，主观评价环节是得出最终评测结果的必要环节，但本文的研究内容目前仅限于客观的测量与比较，希望以此为基础，为未来的主观评价环节提供参考。

仅就本文目前限定的研究范畴来看，人工皮二胡与蟒皮二胡在音强、谐音列结构、非谐波分布、频响曲线与共振峰等各项指标的对比中，前者体现出动态范围较大、非谐波成分较少、相同品牌人工皮二胡音色的统一度较高的整体优势。这种优势在主观评价环节是否还能够获得相应的体现，并无绝对的保证。也就是说，独奏用二胡应该采用人工皮或蟒皮，并无定论，但是从民族管弦乐队合奏的音响要求来看，以上优势绝对值得考虑。

注释：

① 响度低谷，指该区域范围内第一个音与最后一音的响度值较高，其余音的响度值均低于首尾两音。