基于扬琴音色的计算机采样技术探讨

牛矾琼（上海音乐学院，上海 200031）

引 言

在科学技术飞速发展的今天，AI人工智能技术已经在很多领域以更准确高效处理问题的方式取代了人力，而情感与审美则是人工智能望尘莫及的两个无法超越人脑的方面。音乐创作和演奏正是这样一项除了扎实的基本功和基础知识以外，非常依赖情感与审美的工作。除了不断努力提高自身的专业技能以外，拓展学科研究的交叉点，触类旁通地促进自己专业发展的进程是当代音乐工作者应有的态度。而虚拟乐器的发展和计算机采样技术的进步也许正为音乐工作者开启科学的大门。将理性的声音波形分析和感性的艺术表达相结合，能帮助职业演奏者进入更高的境界。不过虚拟乐器技术的发展也不是什么最新的前沿课题，当代编曲工作者已经在大量使用软件音乐进行编曲，其中大名鼎鼎的Kong Audio厂商就制作了全套中国民族乐器的音色作品，当然也包括虚拟扬琴音色作品。但是这些音色在职业编曲者的流行古风作品中，都还是以渲染气氛和音色点缀为主要功能，有时甚至成为钢琴音色或其他键盘类乐器音色的拓展，而实际的演奏法和乐器音色最本源的特点，往往被使用者所忽视。此外，从扬琴独奏者的角度出发研究，或者用虚拟乐器来回放具有一定难度和艺术价值的扬琴作品的尝试几乎是空白。但是这样的研究又有着潜在的可能的巨大价值，它可以帮助一位独奏者用更加具体化、参数化的标准来审视自己的演奏，评价自己演奏的严谨性。这也是笔者想致力研究的主要方向，笔者愿借本文分享对这一领域初步研究的阶段性思考。

一、计算机采样技术浅析

（一）计算机采样技术

计算机采样技术是真实乐器虚拟化的一个重要进程。在计算机音乐发展的早期，通过电脑来制作音乐所适用的音源都是通过合成算法模拟出来的，这样的音色人性化程度较低，也不够逼真，但是它不需要电脑有大容量的硬盘来储存大量的音色样本，也不需要很大的内存来准备随时调用音色文件。不过随着硬件拓展和软件技术的发展，硬盘的存储量和CPU的运算速度都有了大幅提升，当今的计算机音乐制作领域所使用的音源大部分为真实录制的声音文件，而不是通过合成器对波形进行塑造所创造出来的虚拟声音。所以，虽然我们把这种技术称之为虚拟乐器技术，但其实我们使用的已经是真实乐器本身实录的音色了。

这种依次录制乐器的不同音符以及同一个音符的不同力度或演奏法，把这些录制好的音频文件制作成音色文件，再到音序器软件中进行回放，就是我们所说的采样技术。

（二）计算机采样技术的原理

当然我们可以用更通俗易懂的语言来描述采样技术。试想一位音乐制作人在电脑前的MIDI键盘上演奏一份乐谱时，我们可以听到另一件乐器演奏这段旋律所发出的声音，制作人每按下一个琴键就相当于按下了一个播放键，软件则会根据制作人按了哪一个琴键，用什么样的力度按的，有没有技法的相关信息等内容去播放一位演奏家在另一个时空内录制的单个音符的文件。当这些不同力度、不同技法、不同高低的单个音符文件被依次播放的时候，我们便听到了一条由这件乐器演奏的完整旋律了。所以与其说音乐制作人是在演奏MIDI键盘，倒不如说是在播放一个个采样文件。

（三）计算机采样的技术难点

初步了解了采样技术的原理以后，我们可以进一步来体会采样的技术难度到底有哪些。

正如上文提到的，我们的每一个音符随时都准备被播放，这种播放是必须在电脑接收到MIDI信息的瞬间就实现的，而不是我们在电脑上打开一首歌那么简单。当我们在电脑上打开一首音乐作品时，从我们按下播放键，到音频开始被播放是会有读取时间的，而这样的时间差在音乐制作过程中是无法被接受的，因此当我要使用一个虚拟乐器，并希望通过自己的实时演奏来控制它的时候，就要求这个音色中所有的采样，也就是那些音频文件，或者我们也可以称之为样本文件都处于可以随时被调用的状态。换言之，就是这些文件都占用这电脑的内存。而越细腻真实的音色的样本量就越大，对电脑的内存的要求也就越高。因此，采样技术的第一个技术难点就是大量高品质的虚拟乐器同时调用时，对电脑的内存仍有较高的要求。

其次，有些乐器的演奏法比较单一，有些乐器则非常复杂。钢琴虽贵为乐器之王，但是它的采样复杂程度并不高，因为就一个音符而言，只有触发和结束，因此录制单个钢琴音符的时候，我们只要考虑力度的大小就可以了。但弦乐则复杂得多，弓弦之间的接触压力，左手颤动的频率幅度，从一个音符的开始到结束几乎形成每一个瞬间的无穷无尽的变化，要把这些变化细腻地依次刻画出来，再对应到相应的演奏法的控制信息中，其复杂程度可想而知。因此，虽然钢琴的音域更宽，但其实弦乐类乐器如小提琴的采样样本可能要大得多，也复杂得多。

因此，在下文中，我们将结合扬琴的演奏技法和MIDI控制信息的关系来阐述一下，制作虚拟扬琴的过程中我们如何把乐器特点和计算机技术结合起来。

二、扬琴基础音色与采样策略

扬琴作为中国民族弹拨乐器组的成员，却起源于波斯。这种中西合璧的特殊身份和它独有的高贵血统，使它的音色既传承了东方弹拨乐器“轻拢慢捻抹复挑”的丰富层次，又秉持了西方乐器音准稳定泛音丰富的特点。与钢琴的内部结构相似的击弦原理在注入了更多的演奏技法后形成了扬琴在弹拨乐中独树一帜的音色特点。

扬琴的琴体属于框架结构，通过双手持琴竹，敲击琴弦，使之振动后，通过琴码的传导，引起面板和共鸣箱内的空气共振而发出声音，属击奏弦鸣类乐器[1]21。扬琴基础音色的特点基于它的结构本身。

（一）扬琴基础音色特点

1.颗粒状

颗粒状特点是所有的弹拨类乐器的共同特点。白居易在《琵琶行》中所描述的“大珠小珠落玉盘”，便是对这种颗粒状的音色最唯美的描述。与其他弹拨类乐器不同的是，扬琴的颗粒状音色是由噪音和乐音两个部分组成。

噪音并非我们日常生活中理解的不好听的声音，在音乐理论研究领域，噪音是指没有稳定振动频率的音。在对扬琴音色的解析过程中，我们会发现，噪音是其重要的组成部分。这部分声音来自琴竹与琴弦撞击发出的声音，这种声音无关琴弦的振动，只发生在演奏开始的一瞬间。这种声音样本本身没有音高，没有固定的振动频率，但它赋予了单个音符饱满的音头以及扬琴作为弹拨乐器和打击乐器的混合特性中区别于其他弹拨乐器的特有的音响效果。

乐音是指最为人所熟悉的音色中的外显部分，我们通过听辨所判断出来的扬琴的音高就来自于琴弦的振动。这部分音色拥有一个相对稳定的振动频率。这个频率通过敲击触发，然后振幅逐渐变小，直至停止振动，这个过程和钢琴的原理非常相似。只是由复杂杠杆构成的击弦器换成了执琴竹的双手，使得敲击更富有细腻的变化。

从物理意义上来说，我们可以看到，这类音色的波形的共同点，就是音头的振幅较大，然后会以较短的时间，迅速衰减到较弱的水平，最后以较慢的速率结束振动，如图1所示。

图1.扬琴单个音符数字波形图

与其他弹拨乐器相比，扬琴在延伸过程中的变化相对较少，如用手按压琴码的另一侧来改变音高这样的技巧，在扬琴中并不常见。因此其音色的复杂程度并没有琵琶和古筝那么高。所以对于单个音符的采样只要考虑从轻到响的力度变化就可以了。

2.频响范围

我们之所以还可以接受扬琴没有踏板的状态，这和扬琴音色自身的频率特点有关。不同乐器演奏同一个音高时所产生的各个不同频段的反应是不一样的。例如我们可以让大提琴在非常高的把位下演奏小提琴音区内的音符，但同样的音符由小提琴来演奏听起来会更加明亮。同样我们可以让女声压低声线来演唱男生的音色，但那样的音色会比男声演唱时昏暗很多。所以每一个相同音高的振动频率虽然都是相同的，但它们是各种不同频率复杂叠加后的结果，同一个音高可能拥有完全不同的高、中、低频的分配情况。扬琴虽然可以演奏音区较低的音符，但它的低频并不是非常的丰沛。因此，即使在无法制音的情况下，中低频的浑浊感仍然是可以被接受的。我们同样可以比较一下同为民族弹拨乐器的古筝和琵琶在演奏标准音时的频谱和扬琴的差别。如图2、3、4所示。

图2.扬琴演奏标准音的频响范围

图3.琵琶演奏标准音的频响范围

图4.古筝演奏标准音的频响范围

从以上的频响范围对比我们可以看出，在同样演奏标准音的情况下，古筝拥有最丰富的低频，琵琶的低频最弱，扬琴的低频介于两者之间。扬琴的中高频在5k之前是三个弹拨乐器中最丰富的，直到5k之后才略少于琵琶的高频。

所以扬琴拥有较宽的频段，在最低频和最高频的衰减表现得比较平滑。

（二）基础音色的采样策略

1.颗粒状音色的采样策略

如上所述，颗粒状音色的主要特点是拥有振幅较大的音头，伴随快速衰减和较长的音尾，所以对于样本录制要保留音头的冲击力，营造出音头的冲击力的频率主要集中在中高频。不同的电容话筒的频响范围不同，同一支话筒在录制时，离声源的远近也会影响得到的样本的高频与低频的比例。所以在记录音头的细节时，我们应该尽量选择，高频反应灵敏的话筒，放置在离击弦点尽可能近的地方。但过大的冲击力，也可能造成摆放较近的话筒的过载。这样的问题我们可以通过挂压缩器来解决，但在使用压缩器之前，在过载和清晰记录细节之间选择平衡点，找到适中的距离和位置是至关重要的。其次是样本的长度问题，样本长度一定要延伸到余音在空间内完全消失后的一到两秒。即使琴弦完全停止震动，录制的空间内依然会有声音反射衰减后留下的混响声。因此，我们要为声音样本文件录制留有足够的长度，以保证使用时音色的逼真和自然。

2.频响范围的采样策略

在与古筝、琵琶比较后，我们已经知道扬琴的音色覆盖的频率更宽，因此在采样的过程中我们应该选择频响曲线较为平顺，尤其在中、高频反应更加灵敏的话筒。在话筒不变的情况下，缩短话筒与击弦点之间的距离也可得到更多的高频，来增加音色的亮度和穿透力。此外，对于录制空间的选择也非常重要。应尽可能避免空间内光滑平面之间的反射波形的叠加而产生的多余的低频，这样会导致音色的混浊。

三、演奏技法激发的多元音色呈现与采样策略

扬琴的演奏技法非常丰富，不同的演奏技法会带来独特的音响特征，使音色产生更丰富细腻的变化。比如很多细腻的手指、手腕、手臂结合的技巧都可以转化成若干个音符，以一定速率和力度方式的组合，衍生出有细微差别的音色。只是这类技巧过于琐碎细腻，篇幅所限，不便单独分析。本文仅以对音色变化产生明显影响的较为常用的演奏技法为例加以阐述，说明一切演奏技法都是为了音色和旋律的完美呈现服务的，因此，由演奏技法带来的音色变化也是采样里不可忽视的部分。

（一）演奏技法与音色

1.击弦、拨弦、音效类[1]21；32；39演奏技法

击弦类中的正竹击弦和反竹击弦是高度近似的两种演奏方式，只是由于使用了琴竹不同的部位击弦而产生了不一样的音色。轮竹，也就是我们通常所说的轮音，是采样时所面临的最复杂的一项扬琴技巧。我们若按照三十二分音符或六十四分音符甚至时值更小的大量单个音符的紧密触发来还原轮音的话，那样的轮音将及其缺乏人性化表达，甚至觉得那样的声音更像是电子警报器或是机枪的扫射，而非扬琴的演奏。这是因为扬琴轮音过程中的左右手力度轻微的差别，和每一个音符间距的细微差别以及每一个颗粒在一定程度内的一致性之间的统一，构成了真正的轮音。加之轮音过程中的各种力度变化，就使得轮音成了采样中最难面面俱到详细刻画的演奏技巧。

拨弦类中的琴竹尾部拨弦，对于扬琴来说，是一种借鉴其他民族弹拨乐的演奏手法，是丰富扬琴自身技法的一种重要音色组成。

音效类中的泛音是一种表达特定意境的演奏技法。作为构成扬琴音色的一部分，在丰富扬琴表达内容的完整性上有重要的意义。

2.延音与制音类[1]43演奏技法

制音类演奏技法是指对扬琴的延音进行有效的控制与运用。扬琴制作工艺的改革早就将制音系统视为可提升的重要工艺。随着现代扬琴作品的不断涌现，制音类技巧成了现代扬琴演奏中新的重要技法。关于制音问题，虽然同为弹拨乐，古筝、琵琶与扬琴的振动延伸的特性却并不完全相同。

较之扬琴数以百计的琴弦，琵琶却只有四根，它是靠左手的运动，按压琴弦的不同位置来得到不同的音高的。这一点与吉他非常相似。因此琵琶在弹奏的过程中只会留下最近演奏过的若干音符的余音，一旦左手的手指离开琴弦，那个音符便不会继续振动延伸了。另外，即使在左手不离开琴弦，让某一个音符充分振动自由延伸到振动完全通过自然衰减而彻底消失，琵琶的衰减也比扬琴快得多。因为扬琴单个音的琴弦数量更多，更加稳定，而且有一个体积更大的共鸣腔体。

相比较而言，古筝的延伸状态与扬琴更加相近，由于每根琴弦只负责一个音高（特殊技法对音高的改变除外），因此在演奏其他音符的时候，之前的音符都会得到充分的振动和衰减的时间。但是古筝的演奏依靠的是十根手指（实际演奏过程中经常只使用八根），而扬琴的演奏只依靠两根琴竹；古筝的琴面面积又比扬琴小得多，所以古筝的制音非常方便；而且在演奏古筝过程中，演奏者很可能将手指提前摆放到即将演奏的琴弦上，这样一来，已经下意识地停止了这根弦的振动从而起到了制音的作用。

因此，与同为民族弹拨乐器的琵琶和古筝比较，扬琴的制音能力是最弱的，但制音能力弱并非是乐器的缺陷，那种气势如虹，排山倒海般汹涌澎湃而出的音响，反而成为扬琴自身的重要特点。而且我们似乎也习惯了接收这一点点声音上的浑浊，从另一个整体的听觉角度去欣赏扬琴。

（二）针对演奏技法的采样策略

1.话筒摆放与样本采集

如上所述，扬琴的音色由击弦、振动、共鸣三个部分组成，因此我们要对三个部分分别进行话筒的摆放。第一组话筒应放在贴近琴码的位置来刻画击弦部分，或者甚至可以用夹式话筒，直接夹在琴码上，这类话筒需要有很好的高频相应能力，对低频的要求并不高。第二组话筒应该放在两排琴码之间的琴弦上方来记录琴弦的震动。第三组话筒，应该放在扬琴的底面指向琴身的出音孔。这部分话筒必须有较宽的频响范围，尤其在中低频上要足够细腻和温暖。三组话筒之间的音量比例经过仔细的调试使得扬琴音色的各个组成部分更加协调。通过刻画颗粒感的击弦和表达音高的琴弦以及拓展共鸣的腔体的共同表达，就可以塑造出完整的扬琴音色。

完成了话筒的摆放和音色中的不同构成的各种内容的比例调试后，就可以按照这些特点来逐一采集我们需要的采样了。首先是单个音符在一种演奏状态下从轻到响的逐步记录；然后依次更换演奏技法，将每一组演奏法中的每个音符都按从轻到响顺序逐个记录，就完成了音色库样本的采集。但是像轮竹这类个性化程度极高的音色，我们可以从轮竹密度、持续力度、渐强或渐弱以及强弱变化延伸的时间等维度考虑样本的分配方案。

2.延音与制音的采样策略

这里所说的延音，其实就是上文中提到的颗粒状特点的振幅衰减部分，也就是我们通常所说的余音。这部分随着扬琴制琴工艺的改良，已经发展成可以通过踏板人为控制的声音效果了。因此，在采样时，除了要客观记录那些从触发一直衰减到震动完全停止的声音样本外，我们还要记录下因制音而发生的声音停止，这种停止并非声音的消失，它还包括空气声以及录制空间内的反射声，同时还伴有踏板杠杆装置中轴承的声音以及制音器与琴弦撞击或挤压时发出的声音，这些声音本身虽然与音乐无关，但这些声音记录下了演奏者的动作细节，更完整地还原出演奏者演奏的状态。

结 语

在对采样技术的分析研究过程中，我们对扬琴音色进行了深入细致的分析，并以此为依据对计算机采样提出了更高要求，从更加理性的数字化声音样本的角度对乐器音色特点构建了更加全面的认知。这样的认知可以帮助一名演奏家更好地顺应人工智能在乐器虚拟化进程中的发展趋势，并帮助扬琴的演奏更好地被电子音乐表现出来。人工智能在虚拟乐器领域的发展是以理性的样本分析为基础的，但它最终还是要回归感性，并寻求让计算机像演奏家一样演奏出富有情感和表现力的音乐的可能性。而作为一名演奏家在表达作品时一定是充满情感的，研究和学习采样技术和人工智能应用的发展是回归理性的过程，但同时还要不断追求自身的演奏所表达的艺术价值，追求演奏的不可取代性。正是这种以取代为目标的采样技术的发展和以不可取代为目标的演奏家的艺术追求，以及理性和感性的互为回归，造就了科技与艺术的共同繁荣发展。