淺析鋼琴延音踏板的影響

田果

【摘 要】本文介紹了鋼琴延音踏板，并通過數(shù)據(jù)來分析延音踏板的主要效果和主要特點。延音踏板的作用是延長琴弦振動的時間，也就是說用來延長聲音并且起到保留鋼琴聲音的作用。但在低音和高音的不同情況下，延音踏板所起到的作用會有所不同。本文測量了鋼琴聲調(diào)在踩下踏板和未踩下踏板時的振幅擺動頻率，以用來觀測衰減的幅度和效果。研究發(fā)現(xiàn)，使用延音踏板會導致兩個階段音色的衰變和失真。

【關鍵詞】鋼琴;延音踏板

中圖分類號：J624.1 ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1007-0125（2020）22-0085-02

現(xiàn)代鋼琴中，總共有三個踏板，極少出現(xiàn)只有兩個踏板的，右踏板始終是作為“延音踏板”，它的作用是延長琴弦振動的時間，并且讓弦與弦之間產(chǎn)生“振動耦合”，從而產(chǎn)生振動。左踏板被稱為“柔音踏板”，其作用是讓發(fā)出的聲音更柔和，使音色具有抒情的感覺。中間踏板的用途根據(jù)鋼琴的不同而有所不同，它可以是低音維持踏板，也可以是練習踏板，它可以軟化鋼琴的聲音。其中，延音踏板運用得比較廣泛。延音踏板主要有兩個作用：首先，它充當“額外的手指”，也就是說，在任何指法都不可能不讓演奏斷掉的情況下，它使音色保留并且產(chǎn)生連續(xù)的感覺;其次，因為所有的弦都可以產(chǎn)生振動，所以延音踏板使得音調(diào)得到了豐富。在使用延音踏板的時候，需要手和腳同步進行，而且延音踏板的使用時間受演奏拍子的影響。本文通過數(shù)據(jù)分析，提供有關延音踏板效果的數(shù)據(jù)和信息。

一、實驗簡介

為了研究延音踏板在踩著和沒有踩著的時候鋼琴音色的特征，筆者在網(wǎng)上找到了一個用來分析鋼琴音色的錄音實驗。該實驗的實驗地點在大型錄音棚里，實驗的對象分別是鋼琴演奏時低音、中音和高音在有踏板支撐時的音色和沒有踏板支撐時的音色。這個錄音實驗于2006年2月在芬蘭赫爾辛基的名為“Finnvox”的錄音室里進行，鋼琴為雅馬哈三角鋼琴，序列號為3070800。

筆者在進行該錄音實驗時，專業(yè)音頻的麥克風Danish Pro Audio 4041置于鋼琴上方32厘米處，左右聲道的麥克風分別位于距鋼琴左右末端80厘米和71厘米處，可以更好地降低噪音。在整個實驗過程中，麥克風位置保持不變。實驗的目的是分析踏板的效果并收集處理合成之后的準確信息。實驗開始之后，首先在沒有延音踏板的情況下，分別演奏了低音、中音和高音，然后在踩下延音踏板的情況下，以相同方式演奏了低音、中音和高音。最后從中選擇了5組數(shù)據(jù)來進行對比分析。在整個實驗過程中，為了盡可能保證所有的條件不變，筆者選用了17個0.5kg的硬幣，串在一起，這就形成了統(tǒng)一的重量。比如對于最高的音域，也就是鋼琴最上面的那個鍵，要保證每次按下琴鍵時使用相同的力度并發(fā)出同樣大小的聲音，這就需要利用到筆者準備的硬幣。

二、數(shù)據(jù)分析

為了展示筆者實驗與“芬蘭實驗”的不同，筆者找到了他們當時的實驗數(shù)據(jù)，也就是圖1。圖1中（b）清楚地展示了，在相同條件下，使用延音踏板所產(chǎn)生的振動情況。圖1（a）、圖1（b）展示了C4這個音的不同頻率圖，從中可以看出，當使用延音踏板的時候，頻率圖很明顯地多出了一部分。圖1（c）則是用傅里葉變換轉(zhuǎn)化出來的頻率對比圖。

在本文這一部分中，筆者將借助信號分析來展示踏板的影響。首先，從踩和不踩延音踏板的錄音中提取單音部分，分析踏板的效果，對數(shù)據(jù)進行精確到秒的比較。

（一）部分提取分析

記錄下來的數(shù)據(jù)信號通過濾波和提取單個踩著和不踩著踏板的音色來進行分析。一般來說，有三個特征：初始水平特征、音色衰退的時間特征和振幅跳動特征。它們之間可能存在差異。這些特征是基于圖2所列的五個聲調(diào)例子進行研究的，圖中體現(xiàn)了它們的基礎頻率和偏差音系數(shù)。這些參數(shù)可以通過手動計算或使用一些特定的音調(diào)算法來估算，例如Galembo和Askenfelt提出的偏差音濾波方法。在這個實驗中，研究員是使用一個簡單的基于峰值選取技術(shù)的演算算法來評估實際音調(diào)的基礎頻率和偏差音系數(shù)。在該算法中，鋼琴音中的局部峰值可以在光譜中找到，并利用諧波分量的位置，可以將相應的頻率評估出來。理論上來說，用下面的計算公式可以計算出來：

（二）其中m是部分指數(shù)，fm是相對應的頻率。通過求實際分頻和理論分頻之間的最小均方誤差，然后帶入到上述等式中可以得到最佳的B和f0的估算值，之后根據(jù)關鍵索引信息可以得出對這些參數(shù)的初始猜測。

（三）分析鋼琴案例的時候，由于有兩個階段的衰減和上升，因而諧波表現(xiàn)出復雜的變化過程。為了獲得音調(diào)衰減時間的近似值，用最小二乘法，將直線擬合到信號記錄包絡的前六秒。之后，根據(jù)擬合直線的斜率計算T60的估計值，即衰減到60dB所需的時間。然后，對與音調(diào)基礎頻率相對應的部分重復上述的步驟，直到得出結(jié)果。

（四）圖3和圖4列出了五個測試音的結(jié)果，分別給出了與基礎頻率相對應的各部分的總衰減率和分別衰減率，以及它們的初始水平。從圖中可以看出，在使用延音踏板的情況下，尤其是在鋼琴的中間音段，衰減時間通常更長;在高音區(qū)，衰減時間沒有顯著差異;而在低音區(qū)，總的衰減時間似乎略有減少，但第一部分的衰減時間隨著延音踏板的使用而增加。一部分音的初始水平變化比較小，是在1dB內(nèi)，這些變化通常很難聽到，因為實在是太小了。在中間區(qū)域，由于二重態(tài)和三重態(tài)，弦的數(shù)量更多，中間弦和高音弦連接在同一個連接點上，導致更多的弦連接到周圍的弦，很可能造成周圍的一些弦與敲擊鍵對應的弦互相干擾，所以當這些模塊不被減音器所隔開時，已經(jīng)彈奏的音調(diào)衰減時間會增加。在高音區(qū)，衰減時間不太可能增加，即使一個高音部分的頻率與一些低音部分的頻率幾乎相同，但是因為諧波很少，所以高音并不能激發(fā)低音的能力。此外，高音弦又非常遠離中間區(qū)域，所以更不會被干擾。

（五）從感性的角度來看，衰減時間增加與什么因素相關是一個更加復雜的問題。J?rvel?inen和Tolonen兩位研究員給出了衰減參數(shù)的感知公差，并得出一系列的結(jié)論：如果衰減時間變化在75%到140%之間，則衰減時間變化顯得不明顯并且衰減非常輕微。盡管兩位研究員所得出的感知公差是根據(jù)類似于吉他撥片的音調(diào)所確定的，但是可以感覺得出來，這個感知公差用來表明人在聽到鋼琴聲音時，大腦對鋼琴音調(diào)衰減過程的分析同樣是不準確的。在這種情況下，衰減時間差似乎僅在音調(diào)為C4時才可以聽到，因為T60踩下延音踏板時的衰減時間是原本T60衰減時間的161%。

（六）另一組實驗所得到的結(jié)果是：與不使用延音踏板的情況相比，使用延音踏板按下琴鍵時的音調(diào)，兩階段衰減變得不那么明顯。這個特性也是由于弦儲存器的能量泄漏，它取決于連接點的導納效果。

三、小結(jié)

本文分析了鋼琴中延音踏板裝置的作用。在物理上，踩下延音踏板可以提升減音器的效果，否則會阻擋弦所產(chǎn)生的共鳴。從數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，當使用延音踏板時，剩余信號的能量會增加，因為弦儲存器中允許自由振動。此外，當踩下延音踏板時，鋼琴中音段的音調(diào)衰減時間會較長。但是，當聲音是在低音區(qū)域和高音區(qū)域發(fā)出時，并沒有觀察到這種現(xiàn)象。也就是說在高音和低音區(qū)域使用延音踏板時，諧波的初始水平并沒有產(chǎn)生實質(zhì)性的變化，在所有研究情況下，觀察到的變化保持在1dB以內(nèi)。