對(duì)立式鋼琴延音踏板聲學(xué)功能的 客觀評(píng)價(jià)（上）

摘要：本文采用音樂聲學(xué)測量方法，通過比較立式鋼琴在釋放及踩下延音踏板兩種狀態(tài)下的音響特性，客觀分析延音踏板的聲學(xué)功能，為深入了解鋼琴樂音物理屬性與聽覺感知對(duì)應(yīng)關(guān)系，改良樂器性能提供實(shí)證依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼琴? 延音踏板? 聲學(xué)功能

引言

1709年，巴爾托洛梅奧·克利斯托福里（Bartolommeo Cristofori，1655～1731）制成了世界上第一架鋼琴[1]。在300年來的發(fā)展歷程中，鋼琴制造者以提高音樂表現(xiàn)能力為目標(biāo)，經(jīng)過持續(xù)的改良與完善，不斷使鋼琴形制結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，音樂表現(xiàn)能力得到提升，使之逐漸成為當(dāng)前最具代表性的鍵盤樂器。

以樂器部件的聲學(xué)功能來分解樂器，弦樂器大多由激勵(lì)系統(tǒng)、弦振系統(tǒng)、傳導(dǎo)系統(tǒng)、共鳴系統(tǒng)、調(diào)控系統(tǒng)等聲學(xué)部件組成。作為鍵盤類錘擊弦鳴樂器的鋼琴，擊弦機(jī)系統(tǒng)為激勵(lì)系統(tǒng)，琴弦為弦振系統(tǒng)，琴碼為傳導(dǎo)系統(tǒng)，鋼架與音板為共鳴系統(tǒng)，調(diào)控系統(tǒng)則包括系弦軸、制音器、踏板等部件。

踏板是鋼琴調(diào)控系統(tǒng)的重要組成部件，也是現(xiàn)代鋼琴普遍使用的必備裝置。著名鋼琴家安東·魯賓斯坦（Anton Rubinstein，1829～1894）曾說過：“踏板是鋼琴的靈魂。”[2]從14世紀(jì)英國的羽管鍵琴（KIavie-cembalo、Harpsichord）到15世紀(jì)初歐洲的楔槌鍵琴（Clavichord）[3];從配備手動(dòng)制音栓的鋼琴到采用膝部杠桿制音器的鋼琴;從1844年布瓦洛（J.L.Boisselot）發(fā)明的延音踏板到1876年艾伯特·斯坦威（Albert Steinway）踏板專利的發(fā)布，踏板性能的提升始終是鋼琴形制改良與完善中的重要內(nèi)容之一。

現(xiàn)代鋼琴的踏板常見的有3個(gè)。其中，右邊的踏板稱為“延音踏板”“持續(xù)音踏板”（sustaining pedal）或“制音器踏板”（damper pedal），當(dāng)該踏板被踩下時(shí)，琴鍵后的杠桿會(huì)將制音器從這些琴弦上撐起，使琴弦可以自由振動(dòng)，通過直接被擊奏或間接響應(yīng)共振發(fā)音;當(dāng)它在釋放狀態(tài)時(shí)，多根琴弦被表面粘貼有氈條的阻尼制音器抵頂，使琴弦無法振動(dòng)發(fā)音。該踏板是鋼琴演奏中使用頻率最高的調(diào)控裝置，可以從樂音音長、音量、音色等方面提高鋼琴聲音的表現(xiàn)力。鑒于它可以得到多種不同的音量變化，因此該踏板也被稱為“響”踏板（loud pedal）或“強(qiáng)”踏板（forte pedal）。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前，對(duì)樂器聲學(xué)特性的評(píng)價(jià)多采用主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩種方法。主觀評(píng)價(jià)依靠人的聽覺系統(tǒng)進(jìn)行聽辨，并使用符號(hào)化的語言描述個(gè)人對(duì)音質(zhì)的主觀感受。長期以來，國內(nèi)外很多學(xué)者從主觀體驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)了延音踏板在豐富音色變化、增強(qiáng)和聲共鳴、加強(qiáng)和弦力度、促進(jìn)旋律線條流暢等多方面的音質(zhì)美化功能;探討了踏板在不同音樂作品中的多種使用方法[4]。但這些體會(huì)大多是個(gè)人感性經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，缺少實(shí)證數(shù)據(jù)支撐，沒有形成內(nèi)涵明確、無可爭議的評(píng)價(jià)結(jié)果。

客觀評(píng)價(jià)是對(duì)發(fā)音體各物理量進(jìn)行測量，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的判斷、比較與歸納，分析物體發(fā)音特點(diǎn)及規(guī)律性的評(píng)價(jià)方式。由于客觀評(píng)價(jià)消除了因研究者個(gè)體感知不同引起的差異，因而使結(jié)果具備更強(qiáng)的客觀性與普遍性、科學(xué)性與準(zhǔn)確性。本次研究采用分音時(shí)域特性分析法[5]，使用基于該理論開發(fā)的《樂音時(shí)-頻綜合分析軟件》[6]，通過測量不同演奏狀態(tài)下的樂音音響特性，為客觀分析立式鋼琴延音踏板的聲學(xué)功能，探討其與聽覺感知的對(duì)應(yīng)關(guān)系提供精準(zhǔn)、量化的實(shí)證依據(jù)。

（一）環(huán)境條件

本次音響素材采錄地點(diǎn)為新疆藝術(shù)學(xué)院錄音技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室建于2011年，共有控制室及錄音室等5個(gè)封閉空間，室內(nèi)經(jīng)過了良好的聲學(xué)改造及裝修，符合本次音響特性分析要求。

1.錄音間尺寸及比例

長寬高分別為：6m×4.5m×3.5m，尺寸比例為1.71∶1.29∶1。

2.錄音間空間尺寸

面積為27m2，體積為94.5m3。

3.混響時(shí)間

混響時(shí)間為0.32s（1000Hz）。

4.本底噪聲

本底噪聲為21dB（A）。

5.室內(nèi)溫濕度條件

溫度為27°C，濕度為30%之間。

（二）設(shè)備條件

1.立式鋼琴型號(hào)：YAMAHA YD1X

2.計(jì)算機(jī)型號(hào)：Lenovo ThinkPad X220 Tablet

3.音頻接口型號(hào)：Apogee Duet數(shù)字音頻接口

4.傳聲器型號(hào)：Earthworks M30測量傳聲器

5.監(jiān)聽音箱型號(hào)：Genelec 8030A

6.監(jiān)聽耳機(jī)型號(hào)：SONY 7506

7.數(shù)字音頻工作站：Digidesign Pro tools 10

8.音頻分析軟件：樂音時(shí)-頻綜合分析軟件1.0版

9.音頻數(shù)據(jù)采樣格式：16bits、44100Hz。

10.文件儲(chǔ)存格式：錄音工程文件格式為*.ptx，后期處理與分析格式為*.wav，數(shù)據(jù)精度保持不變。

（三）傳聲器設(shè)置方案

本次錄音為滿足后期音質(zhì)測量與分析需要，避免不必要的聲道間串?dāng)_，采用了單聲道（單點(diǎn)）錄音方式，傳聲器以樂器共鳴體主要輻射面0°軸為拾音方向，距樂器聲學(xué)中心為20cm。在錄制釋放或完全踩下延音踏板兩種狀態(tài)下的音響素材時(shí)，錄制內(nèi)容、使用設(shè)備、演奏人員、實(shí)驗(yàn)條件完全相同，為保證演奏員演奏力度保持最大的一致，在兩種演奏狀態(tài)下，要求每音以同一力度各演奏3次，后期分析挑選出力度最接近的兩個(gè)音用于測量。在錄音時(shí)，為便于琴弦持續(xù)自由振動(dòng)，彈奏后琴鍵保持按壓狀態(tài)，待音響完全終止后方結(jié)束演奏。

二、樂音聲學(xué)分析

琴弦在振動(dòng)時(shí)，除了肉眼可見的整段振動(dòng)外，其1/2、1/3、……等不同分段同時(shí)也在振動(dòng)，音樂聲學(xué)中，將上述振動(dòng)產(chǎn)生的聲音成份稱為“諧音”①，它們共同構(gòu)成了樂音。其中，琴弦整段振動(dòng)發(fā)出來的音為第1諧音（也稱為“基音”），由1/2、1/3、……分段振動(dòng)發(fā)出來的音依次稱為“第2、3、……諧音”。在不同樂器發(fā)出的樂音中，諧音的數(shù)量、音強(qiáng)及音程關(guān)系均不相同，這些因素都影響著樂音音質(zhì)。

鋼琴延音踏板的音質(zhì)變化功能源于不同部件間的共振現(xiàn)象。“當(dāng)外部策動(dòng)力的頻率與物體固有頻率非常接近或完全相等時(shí)，振幅會(huì)迅速達(dá)到其可能的最大值，這種現(xiàn)象稱為‘共振’”[7]，共振會(huì)使樂器不同部件產(chǎn)生共鳴發(fā)出聲音。當(dāng)延音踏板完全踩下時(shí)，將阻礙琴弦振動(dòng)的制音器撐離了琴弦表面，這些琴弦不論是否被琴錘擊打，均處于自由振動(dòng)狀態(tài)。因此，通過琴碼等部件的傳導(dǎo)，使得自由振動(dòng)弦的整段或分段可以響應(yīng)頻率相同（相近）的被擊奏琴弦的振動(dòng)產(chǎn)生共振。如：

本次實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)基音頻率為440.2Hz的A4②琴弦振動(dòng)時(shí)，其第2分段振動(dòng)產(chǎn)生的諧音頻率為879.6Hz，第3分段振動(dòng)產(chǎn)生的諧音頻率為1320.7Hz。

而當(dāng)基音頻率為329.6Hz的E4弦琴弦振動(dòng)時(shí)，其第2分段的諧音頻率為659.7Hz，第3分段的諧音頻率為988.6Hz，第4分段的諧音頻率為1319.3Hz。

可以看到，A4音的第3分段（1320.7Hz）與E4音的第4分段（1319.3Hz）振動(dòng)頻率非常接近，因此，當(dāng)A4弦被擊奏后，未被彈奏但處于自由振動(dòng)狀態(tài)的E4弦，其第4分段即會(huì)響應(yīng)A4音第3分段的振動(dòng)產(chǎn)生共鳴。正是這些在多組琴弦、多個(gè)部件上產(chǎn)生的共鳴改變了樂音中各諧音的相互關(guān)系，最終使樂音音質(zhì)發(fā)生變化。

現(xiàn)代鋼琴從A0～C8共有88個(gè)音，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率范圍為27.5～4186.01Hz。在以往對(duì)鋼琴琴弦振動(dòng)的研究認(rèn)為，樂音諧音中前5個(gè)峰值的波形區(qū)域及振動(dòng)幅度（下文簡稱振幅）的相互關(guān)系會(huì)對(duì)音色產(chǎn)生直接影響，在此區(qū)域所提取的數(shù)據(jù)可以較好地描繪出鋼琴音高、音長、音強(qiáng)及音色等4個(gè)屬性[8]，因此，本次研究共提取出C1、C2、C3、C4、C5、C6等音在釋放（或踩下）延音踏板時(shí)各音音響中的5個(gè)諧音用于分析，樣本的時(shí)間片斷覆蓋了樂音的振動(dòng)全過程。下列圖中，左列（a）為釋放踏板演奏時(shí)，樂音前5個(gè)諧音的振幅圖，右列（b）為完全踩下延音踏板演奏時(shí)，樂音前5個(gè)諧音的振幅圖。后同。

釋放或全踩延音踏板演奏的兩個(gè)C1音，同一序號(hào)的圖形存在很多相似之處。如：①第1諧音能量比較均衡，起振后長時(shí)間處在-44～-54dB區(qū)間內(nèi)，波動(dòng)變化不大。②第2諧音能量均較高，起振后振幅均在-20dB左右，并隨著時(shí)長變化緩慢衰減。③第3諧音起振后振幅約在-30dB左右，亦隨著時(shí)長變化緩慢衰減。④在釋放或踩下延音踏板等不同演奏方式時(shí)，樂音時(shí)長差異并不顯著，釋放踏板音長為28.5s，踩下踏板音長為30s，差值為1.5s。

它們的差異在于：①第1諧音在釋放踏板演奏時(shí)，其能量基本在19.5s左右衰減結(jié)束，但在踩下踏板演奏時(shí)，其衰減速度與樂音整體衰減速度同步。②兩種演奏方式中，5個(gè)諧音在起振完成時(shí)，能量基本相同，但在之后的時(shí)間過程中產(chǎn)生了較大的差異，明顯可以看出踩下踏板后，所有諧音的振動(dòng)能量均大于釋放踏板的演奏方式，諧音能量的衰減速度也慢于釋放踏板演奏方式。③在踩下延音踏板后，第4、第5諧音產(chǎn)生了非常顯著的振幅波動(dòng)，第1、2、3諧音在起振階段也出現(xiàn)了較短時(shí)間的振幅變化。相比較，釋放延音踏板時(shí)，除第4諧音在第9s后逐漸顯現(xiàn)出規(guī)律變化的趨勢外，其他諧音并沒有產(chǎn)生明顯的振幅規(guī)律變化。

兩個(gè)C2音有兩處非常相似：①起振狀態(tài)中，5個(gè)諧音振動(dòng)能量非常接近，峰值均在-34～-9dB的范圍內(nèi)。②第4、第5諧音振幅在第13s之前均呈現(xiàn)出相似的規(guī)律起伏，峰值與峰谷的區(qū)間差多數(shù)情況下均保持在15dB以上，最大值在30dB左右。

它們的差異在于：①在采用釋放或踩下延音踏板等不同演奏方式時(shí)，樂音時(shí)長差異顯著，釋放踏板時(shí)C2音音長為25s，踩下踏板時(shí)音長為39s，差值為14s。②在釋放踏板演奏時(shí)，各諧音均在總體衰減的趨勢中產(chǎn)生規(guī)律性的振幅起伏。但在踩下踏板后，各諧音不同程度的出現(xiàn)了大周期振幅變化范圍內(nèi)的振幅規(guī)律性小波動(dòng)，C2音中比較直觀的如第2諧音于18.1～22.7s、22.8～27.4s兩個(gè)范圍內(nèi)、第4諧音在16～23s、23～30s、30～37s三個(gè)范圍內(nèi)產(chǎn)生了較明顯的周期振幅變化，并且在這5個(gè)范圍內(nèi)，第2、第4諧音仍產(chǎn)生了周期起伏，但振幅起伏區(qū)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于釋放踏板時(shí)的演奏方式，多數(shù)情況下保持在10dB以內(nèi)。

注釋：

①諧音（Harmonics）：樂音中呈整數(shù)倍或接近于整數(shù)倍聲音關(guān)系的各個(gè)聲音成份。

②本文中音符分組與標(biāo)記均采用音樂聲學(xué)標(biāo)記法。音樂聲學(xué)標(biāo)記法的A0音為音名標(biāo)記法標(biāo)記的A2音，各八度序號(hào)同步遞增。

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（待續(xù)）