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现代乐器声学知识1-10

2010年12月21日 AEROFISH 1,490 views 发表评论 阅读评论

第一讲 现代乐器声学入门

一、学习现代乐器声学的意义
我们正生活在一个琳琅满目的乐器世界,单就中国各民族乐器数量而言,已经超过1千多种,全世界乐器种类更是数不胜数。在不同的人眼中,乐器具有不同的属性,譬如曾侯乙编钟,在古代王侯贵族的眼中,代表着一种地位和权势;在今天百姓的眼中,则是一种表现音乐的艺术工具;在作曲者眼中,编钟代表着一种音色,而在音乐声学人士看来,所有的乐器都是一种独特的声音装置。

这里要介绍的“现代乐器声学”,是基于最新的音乐声学进展,探讨乐器音乐性能的学术范畴。它涉及的主要内容包括:
1、乐器声学分类理论
2、乐器的发声机理及特征分析
3、乐器制作材料和工艺与音响效果的相关性
4、乐器与环境声场的相关性
5、自然乐器的人工模拟与合成技术
6、最新乐器声音品质的主、客观评价标准
需要注意的一点是,乐器声学并不包含乐器制造技术的内容,读者千万不要以为,掌握了现代音乐声学知识,就可以制造出优良的乐器。因为优良的乐器是综合了从材料、制作工艺到声音调试所有过程之后的成果,任何一个环节存在缺陷都无法制造出优良的乐器。乐器声学理论能够帮助我们的,是在制造乐器过程中发现、分析乐器在声音上存在的问题,并指导我们采用科学的方法予以解决,最终制造出声、形俱佳的乐器来。
对于从事乐器设计、改良和声音调试的工作者来说,乐器声学知识显得更为重要。譬如,当我们想要改良一件乐器,使之音量更大一些,就需要利用乐器声学知识作为基础性指导:首先要分析影响该乐器音量的因素来自何方,然后分析所有因素中,哪些因素与音量的相关性最强,同时还要分析这些因素与演奏方式和技巧发挥的相关性,并考虑工艺的复杂性和制造成本等因素,之后我们就可以选择那些对提高音量最有效、同时对演奏方式和技巧发挥影响最小、制造成本最便宜的因素,作为突破口进行改良。这种科学的分析工作,不仅可以避免改良工作走弯路,节省时间,同时也可以保证改良出来的乐器在音乐实践和销售市场中得到承认。

二、学习现代乐器声学需要具备的基础知识
要想学好现代乐器声学,应当具备以下基础知识:
1、音乐基础知识
乐器是用来演奏音乐的工具,乐器声学知识自然也是以音乐为核心而展开。如果没有一点音乐基础知识,自然无法学好乐器声学。与乐器声学联系比较紧密的音乐知识,包括“基本乐理”和“辨音能力”两大部分。学习基本乐理可以让我们掌握识谱能力和相关的一些音乐常识,而辨音能力的培养则可以提高我们的音乐听觉水平,增强对乐器声音效果的感性认识,对将来研究乐器音质的主观评价问题极为有利。此外,有条件的话,读者还可以学习一些音乐发展史和艺术发展史方面的知识,特别是其中所包含的乐器演变的历史情况,这些知识可以有助于提高我们音乐修养,从而站在更高的层面认识和理解乐器声学的发展规律。
2、音乐声学基础知识
乐器声学属于音乐声学中的一个分支,许多基本概念和计算公式都来自音乐声学,因此,掌握一些音乐声学基础,对学习乐器声学极为有利。与乐器声学联系比较紧密的音乐声学知识,主要包括在“声学基础理论”当中,譬如“振动”、“共振”、“声波基本性质”、“声波传播特性”、“乐音基本属性”、“纯音与复合音”、“泛音列与频谱分析”、“声场环境对乐音的影响”等。这些知识我们会随着后续知识的学习而逐步带入。
3、人耳音乐听觉感知基础知识
“人耳听觉特性”知识,在我国常常被学习音乐和乐器的人所忽略,这是极大失误。我们知道,音乐是通过听觉来感知的一门艺术,无论哪一种音乐声学理论,最终都要通过人的听觉检验才有应用价值。如果我们只是埋头于仪器和计算公式,忽视人耳听觉特点,研究出来音乐声学理论与实际听觉效果不相符合,这种理论的价值就等于零。与乐器声学联系比较紧密的人耳听觉特性知识,主要包括“听觉系统的生理构成与功能”、“听觉损伤和听力检测”、“人耳对乐音属性的感知机理”、“音乐听觉中的非线性现象”等。这些知识我们也会随着后续知识的学习有针对性地介绍。

三、学习现代乐器声学的方法
1、理论联系实际
乐器声学本身属于理论知识的范畴,但正如前面讲到的,学习这门学科的目的和意义,应当是用于指导乐器制作的实践。因此,学习者应当尽可能结合乐器演奏和制造的实际情况来学习。乐器演奏者和制作者,还可以尝试进行更多的实验,籍以加深对理论的理解。已有的乐器声学理论都是建立在已经发生过的乐器声学现象基础之上,对此,学习者可以通过实验来证实这些理论的有效性,甚至还可以进一步探索新的乐器理论。面对乐器技术日新月异的发展,乐器声学只有不断从实践中汲取经验,才能使理论保持常新。
2、搞清基本原理
总体上讲,乐器声学知识中的基本原理都比较简单,但由于声学具有“看不见、摸不着”的特点,缺乏直观性,有时要通过大脑的想象力来理解基本原理,所以对一些读者来说还是具有一定的难度。譬如以弦乐器的共鸣箱为例:不了解乐器声学的人往往会产生误解,以为共鸣是一种音量放大现象,其实共鸣体本身并不具有放大音量功能,它的作用是将来自振动体的能量通过共鸣体迅速地向四周辐射扩散,使之骤然达到能量限度内的最大值,其能量本身并没有增加。换言之,共鸣体本身不能产生能量,但它却可以将来自振源的能量“充分发挥”,因而让人们产生“声音变大了”的感觉。搞清这个基本原理,如果我们想要增大某件乐器的音量,就要在共鸣体的共振效能上想办法,而不会一味去扩大共振体的尺寸。
3、充分利用互联网上资源了解音乐声学研究的最新发展
从世界范围看,乐器科技虽然不如信息和生物科学等热门领域发展得那么迅速,但在电子乐器和电声乐器领域依然有较快的发展速度。由于这方面研究热点不断转移,纸介质学术资料的出版速度已经有滞后之感。然而国际互联网为我们提供了一个跟踪最新研究成果的新途径。今天利用一些互联网搜索引擎,可以很容易获得国际乐器声学的新近发展情况。例如,利用Google搜索引擎(www.google.com)查询music instrument acoustics(乐器声学), 在1秒钟时间内就可以检索到113,000条与之相关的信息。但由于网上资源绝大多数使用英语,所以读者还需要具备一定英语阅读能力才行。
4、重视音乐听觉的作用
在学习理论知识的同时,还应当注意自己听觉能力的培养。没有好耳朵,注定学不好乐器声学,因为乐器声学的服务对象不是仪器,也不是乐器,而是具有完备听觉能力的人类。乐器声音的好坏,最终也要通过人的听觉系统进行评价才有意义。如果不具备完善的听觉能力,也就没了最基本的评价系统。果真如此,你纵有满腹经纶,也不可能对乐器音响产生任何实质的改动,最终只是落个“纸上谈兵”的称谓。
以上方法只是笔者自己的经验总结,读者一定要根据自己的实际情况加以取舍,也希望读者将自己的经验和成果不断总结、发表,享与他人。

四、当代乐器声学研究的特点
1、研究手段的可视性
对传统乐器声学研究来说,最大的问题是“不可视性”。古代中国在律学研究曾使用将小纸人放置在弦上的方法来观察弦振动的波腹位置,但也仅是对振波的观察,还没有上升到对声音的观察。19世纪,德国心理物理学家亥尔姆霍兹利用空玻璃球来探究复合音中的泛音成分问题,从此,对声音的研究真正进入微观层次。
示波器的发明使科学家终于找到了观察声音的手段,声音从“看不见、摸不着”变为可实时观察的物质存在。早期的声音观察设备,如声级计、频率计、FFT频谱分析仪皆属于模拟型,使用起来费时费力,且不够精确。随着计算机的发展,声学测量设备的性能不断增强,价格越来越低,为音乐声学可视化研究提供了有利条件。
当前研究乐器声学所采用的可视性手段,主要是利用性能优越的计算机外加各种相关的音乐声学测量软件和外围设备(如标准传声器、放大器等)。开发用于不同目的测量分析软件已成为当代乐器声学研究的一个重要分支领域。
2、跨历史、跨地域、跨学科研究乐器声学问题
随着科学研究的新观念、新方法的出现,当代乐器声学也出现与其它学科交缘的特征,一些研究课题明显带有跨历史、跨地域、跨学科的性质。例如,美国斯坦福大学计算机辅助音乐与声学研究中心(CCRMA)2000年开始从事这样一项研究工作:用计算机模拟我国河南舞阳贾湖骨笛的声音。贾湖骨笛距今已有8千多年的历史,用丹顶鹤的翅骨制成,是世界已发现的最古老的吹奏乐器,可谓弥足珍贵。对于这样一只如此古老的乐器,无论谁也不能随意演奏。但是现在利用计算机将它的声音模拟出来之后,便可以由人们随意利用计算机来“演奏”。不仅如此,通过互联网,你还能听到这只骨笛演奏中国民歌《小白菜》的音调。这个研究课题涉及音乐声学、史学和考古学,需要中美两国研究人员合作完成,从一个侧面反映了当代乐器声学研究的特点。
对中国古代双音编钟的声学研究,不仅包括乐器声学、史学、考古学,还牵扯到文字学、冶金、铸造工艺等学科,堪称乐器声学跨历史、跨地域、跨学科研究的典型范例。
3、与音乐实践和市场紧密联系
与音乐实践和市场紧密联系也是当代乐器声学研究的一个特征,这一点尤以美国为先导。美国各个大学都有音乐学院或音乐系,一般都设有音乐声学课程和音乐声学实验室。音乐声学课程内容和实验室的研究课题都与乐器声学紧密联系,有的还直接得到有关公司和厂家的资助。这么多学生学习音乐声学为美国的乐器工业奠定了雄厚的人才基础。因此美国在常规乐器制造、电子乐器设计、音乐音响器材制造和音乐节目出品方面一直执世界之牛耳。

五、当代乐器声学研究的前沿问题
1、音乐声数字合成技术
在十九世纪中叶以前,音乐都属于自然声范畴,即都是由人工乐器演奏产生。自19世纪末,美国电器工程师凯西尔(Cahill)发明了世界上第一架电子乐器之后,我们的音乐便开始进入自然声与非自然声并存时代。当代乐器声学研究主要是从音乐声的分析角度,为数字音乐声合成技术提供基础性研究资料,诸如声音的波形模式、声音的听感反应模式、声波合成的算法等等。具体的音乐声合成技术产品,如各式各样的电子合成器、采样器等,则需专门的既懂音乐、又懂电子学的工程师设计完成。目前,在美国加州的硅谷有不少实验室专门进行声音合成的基础研究。
2、多媒体乐器
多媒体乐器指包含两种以上媒体表现形式的乐器,这些乐器往往可以给人以耳目一新的感受。目前多媒体乐器主要是声光乐器,如光控竖琴是用激光束代替传统琴弦,人们用手指“触摸”到不同光束,就可以发出相应的音高。还有的乐器与喷泉和灯光连接,当演奏者的音乐发生变化时喷泉和光线能产生相应的变化。这些乐器的基本原理,就是利用声波的变化来控制电磁电路的变化。
3、乐器声的网络传输与实时演奏
随着互联网的发展,音乐真正进入了无国界时代。我们今天已经可以在网上浏览各个国家、不同风格、不同民族的音乐。今天,一些研究者已经提出一个新的理念:利用国际互联网进行洲际实时合奏。过去我们要想听江南丝竹的演出,就得要求所有的演员都要在一个环境空间(譬如音乐厅)进行演奏,观众也必须在相同的空间才能欣赏。如果这一技术实现突破,演员可以分散在世界任何一个有网络的地方,通过专门软件把每件乐器的声音“聚拢”起来,所有的“网民听众”就可以实时听到他们的演出了。要实现这一目标,当前主要需要解决的问题,是如何让乐器信号在网上实现“同步”。这种技术目前在美国已经完成初步实验,相信在不久的将来就能在全世界应用。

【来源:http://www.cmia.com.cn/bbs_dv/index.asp


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