中国民族乐器琴弦品质测量方法研究

朱嘉星 刘莹

摘要：琴弦作为弦鸣乐器的激励体，是弦乐器发声的重要部件之一。长久以来，国内对于琴弦的制作工艺与整体品质关注较低，并未形成较为系统的琴弦品质检测体系，直接导致我国民族乐器用弦品质存在一定的问题。本文使用访谈的方式，对我国民族琴弦的特性及存在问题进行了调研，并针对调研结果提出具体的琴弦品质测量维度以及相对应的参数指标，进而提出一套切实可行的琴弦品质测量体系，为琴弦的品质测量研究提供理论基础。

关键词：琴弦  品质  测量  振动

中图分类号：J605   文献标识码：A  文章编号：1008-3359（2021）06-0001-03

在我国的民族乐器中，弦乐器占有极大的比例。但是长期以来，我国民乐的琴弦品质一直多被诟病。这一方面与我国民族弦乐器中使用的琴弦材质种类多样有关，许多材质无法做到很好的标准化制作，如在我国传统乐器中广泛使用的丝弦、内蒙地区使用的马尾弦、新疆地区使用的羊肠弦等，都很难做到标准化制作。另一方面，我国当前针对琴弦品质的检测方法还不完善，如在2010年颁布的中华人民共和国轻工业部行业标准QB/T 1817-2010《琴弦通用技术条件》中，对于琴弦的品质检测主要以物理性能为主，其中包括张力、延展率和最低不断裂音高，而其他方面则是以感官检测为主，没有形成较为细致的检测方式。

随着我国国内民乐市场的不断扩大以及国人对于民族乐器音质追求的提升，学界对民族乐器琴弦的研究也开始逐步增多。当前我国关于民族乐器琴弦的研究大体可以分为三个方面：首先是对于琴弦振动的原理研究，如杨健在其《走进琴弦的世界-谈近三千年来人类对琴弦的研究及引发的思考》中对不同时期人们对琴弦的研究进行了总结;而蔡振家在其《具有非线性边界条件的琴弦振动：京胡“开花音”的声学研究》中从声学角度入手，使用非线性边界的概念，對京胡中的开花音进行了声学阐释。其次，近些年对琴弦的测量与音质研究也逐步出现;如杨帆在《古琴的琴弦物理性能测量和对不同材质古琴琴弦音质的分析与探讨》一文中，分别对琴弦的测量方法和不同琴弦的音质进行了研究。张承忠则使用高速摄影的方式，对琴弦的三维振动特性进行了研究。此外在琴弦的工艺方面，张娜在其《琴弦制作的规程与工艺探讨》一文中对琴弦制作的常用工艺和规则进行了介绍。

从上述研究可以看出，目前还没有可以全面评价我国民族乐器琴弦品质的测量体系的成果。在本文的研究中，笔者将通过调研的方式，对我国民族乐器琴弦的特点和存在的问题进行调查，并尝试找出可以全面评价琴弦品质的不同维度，并提出与之相对应的测量参数，进而逐步完成琴弦品质的测量体系。

一、琴弦品质评价维度及参数

为了更为全面的对琴弦品质进行描述，笔者在研究初期开展了调研工作，调研方式以访谈为主，访谈的对象主要是针对民族弦乐器的演奏者和弦乐器制作者，目的在于尽可能多收集在琴弦演奏和制作过程中影响琴弦品质的不同因素，最终的访谈提纲如下：

首先，您觉得您接触过的不同品质的琴弦间的差异大吗？如果差异大的话，具体表现在那些方面。

其次，请尽可能多的描述不同琴弦的优点和缺点。

最后，您觉得民族乐器琴弦和西方管弦乐队乐器琴弦间的差异体现在哪些方面？

调研工作共采集了18名长期从事弦乐器演奏的演奏者和3名琴弦制作人员，对所有搜集的结果进行汇总和总结。其中出现频率较高，对琴弦品质影响较大的方面有，琴弦断裂、音高不稳、跑音、不好调弦、声音纯净、声音温暖、声音丰满、声音明亮、手感硬、手感粗糙等，进一步分析和总结可以将以上影响琴弦品质的因素大体上归纳为琴弦质量、琴弦声音以及琴弦触感等三个方面。

（一）质量方面

在调研中，与琴弦质量相关的条目主要体现在琴弦断裂、跑音、调不到指定音高、不好调弦等问题。

首先，断裂：在调研中可以发现，“琵琶子弦容易折”“古琴丝弦容易断”等评价大量出现。琴弦的断裂即琴弦可以承受住的最大拉力，是评价琴弦质量的基本要素。在材料学中，往往使用抗拉强度σ这一参数来评价材料在拉断前承受的最大应力值，计算公式为：

其中T为拉断时的力，s为材料的横截面积。

其次，音高稳定性问题：在调研中集中反映在“好的琴弦在调好音之后，一段时间内音高不会有太大的变化”“琴弦在演奏之后会跑音”等评价。所谓的跑音、不好调弦等问题可以总结为琴弦的稳定性问题。根据弦振动公式，其产生的频率应符合以下公式：

其中N为所需计算的不同谐音数，L是弦长，T是拉力，p是琴弦的密度（粗细）。

在实际乐器使用中，大部分乐器有效弦长为定值。在拉力一定的情况下，琴弦的稳定性直接反应在琴弦的粗细程度上。即，琴弦在受到一定拉力和冲击后，材料发生的粗细变化。想要确定琴弦的音高稳定性，可以使用疲劳测试的方式，对琴弦进行定时定量的拉伸和冲击，测量其前后的直径变化差值。

（二）声音方面

在调研中，与声音相关的因素主要体现在有杂音、音色不饱满、声音干瘪、声音柔和，余音长等。

首先，纯净度：在针对于琴弦声音调研的评价中，有杂音、声音不纯净、有拍音等问题都可以归纳为琴弦的纯净度问题。

通过前文的琴弦音高公式可知，均匀琴弦的频率与其长度、拉力以及粗细有关。但是在实际生产过程中，琴弦无法做到完全均匀，因此琴弦的粗细不均匀导致在振动的过程中存在着不同的频率成分，最终导致杂音的出现。所以，一根琴弦的均匀程度可以在一定程度上代表其声音的纯净程度。琴弦的均匀程度可以使用琴弦不同位置直径的均方根值评价的数学表达为：

其中xi为不同位置的直径值。

其次，音色方面：作为琴弦发声的重要部分之一，琴弦对乐器最终的音质有着极为重要的影响，这也是在当前调研中民族乐器争议较为严重的部分。在调研中提及该方面的评价有：“好的琴弦出来的声音饱满”“钢丝弦的声音听起来比较亮，尼龙弦声音比较温暖”“丝弦的声音比钢丝弦更为饱满”等。在声学音质评价中，上述的评价词分别代表与声音频率和声音时域相关的特征。其中声音不饱满、声音干瘪、声音亮、声音温暖等与频域特征有关，余音长、声音柔和等与时域特征有关。

在声品质评价中，明亮度、温暖度分别与声音的高频与低频能量相关，声音饱满与干瘪则与高频、中频、低频间的平衡性有关。因此，如果借鉴声品质中的定义，琴弦的评价音质同样可以使用类似的方式进行定义和测量，即使用不同频段能量的分布情况进行测量。以明亮度为例，声音的明亮度可以用频谱质心（Spectral centroid）来描述，频谱质心是信号频谱上的中心：

其中 k表示频率下标，S_i（k）表示第i帧信号的FFT在下标 k 处的幅度值。频谱质心较大时，说明该频谱中高频成分相对较多。频谱质心较小时，就说明该频谱中低频成分相对较多。

同时评价中的余音长、声音柔和等方面与琴弦振动信号的时域特性有关，不同材质和工艺的琴弦往往有着不同的起振衰减特性，这也就直接导致了不同材质琴弦最终声音上的差异。如尼龙材质弦的第一谐音较强，但是其他谐音能量较弱，而丝弦的第一谐音能量很低，但是二三号谐音的能量很高，同时丝弦的起振和衰减时间要比尼龙弦更长，因此普遍主观听感上认为尼龙弦的声音更加饱满，丝弦的声音更加柔和。如果想对琴弦最后声音的起振和衰减进行描述，就需要对信号时域特性进行分析。如果想对琴弦的时域信息进行整体的描述，可以使用上升时间和下降时间来判断琴弦的起振和衰减速度，其定义如下：信号从最大值的90%变化到10%所需的时间。公式如下：

其中            即信号起振（衰减）到最大值90%的时间，             即信号起振（衰减）到最大值10%的时间。

（三）触感方面

与一般的品质检测不同，琴弦的品质测量除了正常的质量和音质外，触感也是极为重要的一个方面。在访谈的结果中可以发现，许多演奏者对于琴弦的触感极为重视，其中搜集的评价主要有手感粗糙、手感有弹性、手感硬等三个方面。琴弦的触感与琴弦制作所使用的材料有着极为重要的关系，不同材质的各项物理性能差异显著。但是抛开材质自身所带来的差别，琴弦的制作工艺同样会对琴弦的触感产生很大影响，如钢丝弦在拉丝过程中如果处理不当，会产生粗细不均匀，造成手感粗糙等问题。缠弦在制作过程中，如果工艺不当，会导致外层缠弦分布不均匀，也会同样出现手感粗糙的问题。在传统丝弦制作过程中有一道工艺是煮弦，在煮弦的过程中要加胶，其目的是让胶填补丝弦间的缝隙，使其成为整体，在一定程度上也达到了优化丝弦手感的效果。

因此如果想要全方位对琴弦品质进行测量，弹性、粗糙度和硬度同样需要进行量化测量。通过调研可以发现，日常中所说的琴弦粗糙度可以使用摩擦系数进行评价;而硬度则一般形容人手在按压过程中琴弦自身产生的形变，在有指板、有品乐器（如吉他、阮）的琴弦评价中出现较多，其硬度值可以使用布氏硬度进行评价。琴弦弹性主要指琴弦在按压过程中对于人手产生的反馈力度，在胡琴类等无指板乐器的琴弦评价中出现较多。可以使用弹性系数来评价;在本研究中，琴弦的弹性系数选择横向弹性系数来评价，即使用测力计对琴弦施加固定大小的载荷，并测量琴弦偏移的距离，以测量琴弦的弹性系数（K），计算的公式如下：

其中T为对琴弦施加的载荷大小，L为琴弦偏移的距离。

二、琴弦品质测试方法

通过影响琴弦品质的评价维度和参数进行研究，可以将琴弦的品质总结为质量、声音、触感等三个方面。本研究分别使用抗拉强度、直径均匀度、频谱质心、上升时间、下降时间、弹性系数、摩擦系数以及布氏硬度进行量化。以上述参数为基础，琴弦的品质测量流程如下（图1）：

1.记录测试当天的温度、湿度等信息。

2.张弦：将弦两端固定牢固，按照琴弦实际用途确定琴弦的有限弦长，并将弦调制准确的演奏音高。

3.使用螺旋测微器测量琴弦各部分的直径，可以得到琴弦的平均直径以及均匀度。

4.对琴弦的弹性系数、摩擦系数和硬度进行测量。

5.使用加速度传感器对琴弦的振动信号进行采集（包括横振动与纵振动），可以采用撥动琴弦的方式，为了确保数据重复可靠，可以使用激发器来激发。使用采集得到的振动数据信号进行分析，提取频谱质心和上升、下降时间。

6.对琴弦进行疲劳试验，疲劳实验每进行12小时后，重复步骤3—5，共重复3次。对比重复测试数据间的差异，得到琴弦的物理性质的变化速率。

图1  琴弦品质测量流程图

三、结语

在本文的研究中，笔者首先使用访谈的方式对我国民族乐器琴弦的品质影响因素进行调研，共收集到了琴弦断裂、音高稳定性、纯净度、温暖度、丰满度、明亮度、手感硬、手感粗糙等一系列影响因素，通过分析和总结，将所有影响因素总结为质量因素、声音因素和触感因素三个方面。其次对调研中得到的不同影响因素进行分析与解读，并尝试找出对应物理量及测量参数。在本研究中共使用抗拉强度、直径均匀度、频谱质心、上升时间、下降时间、弹性系数、摩擦系数以及布氏硬度等8个参数对琴弦的质量、声音和触感进行全面的描述，基本涵盖了当前描述琴弦品质的所有方面。但是目前针对琴弦声音的测量指标还不够完善，在后续的研究中，应该进一步细化相关的测量参数，进而更加细致地对琴弦声品质进行研究。

参考文献：

[1]杨健.走进琴弦的世界——谈近三千年来人类对琴弦的研究及引发的思考[J].自然杂志，2004（03）.

[2]蔡振家.具有非线性边界条件的琴弦振动：京胡“开花音”的声学研究[J].武汉音乐学院学报，2008（04）.

[3]杨帆.古琴的琴弦物理性能测量[J].演艺科技，2014（09）.

[4]张娜.琴弦制作的规程与工艺探讨[J].乐器，2020（10）.

[5]张承忠，叶邦彥，赵学智，等.用于提琴琴弦三维振动测量的高速摄影系统[J].光学精密工程，2014（09）.

[6]朱斯语，姬培锋，杨军.中西方典型乐器音高响度与音色明亮度的研究[J].应用声学，2017（06）.

[7]韩宝强.音的历程——现代音乐声学导论[M].北京：中国文联出版社，2003.