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第七讲 电乐器声学特征

一、电乐器发展概况
“电乐器”（electronic musical instruments），是与“声学乐器”（acoustic musical instruments）相对的一个乐器种类，有狭义和广义之分。狭义的电乐器指单独的乐器主体，如目前常见的电吉它，电子键盘、音源合成器等；广义的电乐器不仅指乐器主体，还应包括所有与乐器相关联的装置，包括计算机硬件、软件、话筒、效果器、扩声设备，乃至各种接口，等等。

从发声源的角度，电乐器又有“电子乐器” 和“电扩声乐器”之分：前者指完全用电子振荡器为发声源的乐器，常见的乐器如电子琴、电子合成器、电子鼓等。后者指那些在常规乐器上加用电磁扩声设备而成的乐器，这些乐器的发声源依然是常规的振动体——弦或空气柱，常见的乐器如电吉它、电小提琴、电萨克斯等。从音乐角度讲，人们常说的“电子音乐”（electronic music）是指由电子乐器制作的音乐，意即是以电子振荡器为基础声源创作的音乐，而单纯由电扩声乐器演奏的音乐一般不包括在内。

电乐器是以美国和西欧等技术发达国家为主体发展起来的。美国麻省电器工程师凯西尔（Thaddeus Cahill，1867-1934）于19世纪末发明了世界上第一个电子乐器——Telharmonium（首次专利登记为1897年）。当时的专利证书将其形容为一个“利用一个转动的电磁发声器产生简单波形的乐器”。为了能发出复杂的波形，凯西尔制成一个电子混音器将每个音响发生器产生的波形组合起来。当时这架电子乐器体形庞大，为了从麻省的实验室运到纽约市竟然动用了12节火车。凯西尔当时想利用电话线从专门为这架电子乐器命名的“电风琴大厅”（Telharmonium Hall）把音乐直接传送给听众。但没想到，电风琴信号与电话线中的语音信号发生冲突，最后导致演出失败。

前苏联物理学家特莱明（Leo Sergejewitsch Theremin）1921年发明了一种电子装置，被命名为特莱明琴，可以演奏各种不同形式的音阶。与其它乐器的不同之处在于：这件乐器在演奏时，演奏者的手从不接触到乐器，而是通过双手在带电磁场的天线附近不断移动来改变音高。

在1920-1940年间，还诞生了数十架电子或电动乐器，由玛特诺特（M. Martenot）制造的电声乐器 Ondes Martenot 可能算是其中的佼佼者，在法国作曲家梅西安（O. Messianen）的许多作品里曾被采用。还有一种电子乐器由于一个人的坚持使用而幸存下来，就是由特劳特崴恩（F. Traurwein）和萨拉（O. Sala）研制的“混音琴”（Mixturtrautonium）。萨拉几次对其进行了改进，并在数十首作品中使用了它。在希区柯克导演的早期的电影《鸟类》中，萨拉用它发出特殊声效。

早期电乐器都是用模拟电路制造的，而第一架数字合成器的研制工作是马修斯（Max V. Mathews） 和他的同事于20世纪50年代在美国新泽西州的贝尔实验室进行的。借助大型计算机，他们编制了音响合成软件《音乐Ⅰ》至《音乐Ⅴ》。其中《音乐Ⅳ》和《音乐Ⅴ》至今依然作为其它音乐N系列软件的核心模块在使用。

1976年，由法国作曲家布莱兹（P. Boulez, 1925- ）领导的“声学与音乐研究中心”（IRCAM）在巴黎成立，并开发出以4A为代表的一系列的合成器。4A可以实时产生256个正弦波。很快又有4B，4C和4U，直至功能强大的4X，被中心的作曲家们使用了十余年。80年代声音合成方面的主要成就体现在音响合成方面的进步，对传统乐器声音的模拟更加逼真。声学与音乐研究中心研制的“圣歌”（Chant）系统是这方面的杰出代表。一次当法国前总统蓬皮杜夫人参观中心时，被圣歌系统发出的逼真的演唱效果所折服。当时圣歌系统在一架钢琴伴奏下演唱了莫扎特歌剧《魔笛》中一段咏叹调。

20世纪70年代后期，采样合成器已经出现。这种设备可以将声音转换为数字信号储存在芯片中。通过键盘储存的声音可以发出不同的音高，由此可以模拟出所有的声响－—无论是传统乐器还是各种的声效。

1983年，乐器工业开始引入“乐器数字接口”的概念，其英文缩写即今天大家所熟悉的“MIDI”。这是一种使合成器、计算机和其它外设之间能够进行数据传输的软件和硬件的通讯协议。由于MIDI的出现，计算机音乐在20世纪80年代以后有了长足发展。各种电乐器都已经与计算机紧密联系在一起，电乐器的声响都可以输入到计算机的硬盘中，通过电子手段加以调制、合成。而这个过程都是通过可视化手段来完成。对今天的作曲者和演奏者来说，电乐器似乎已经成为无所不能的“超级音响发声器”。

二、电乐器发声原理
先介绍电子乐器的发声原理：
由电子元器件组成振荡发声器，接通电源后会产生电流振荡，这种振荡电流经过各种控制电路的调制、扩大和叠加，便可生成符合音乐需要的乐音。从电路角度讲，电子乐器的音高主要由电子振荡器的振荡速度所控制；音强主要由电子放大电路控制；音色主要由电子调制、滤波和叠加电路来控制；音长则主要由触发控制电路来控制。

工作原理说明：
当演奏者按下键盘中的某一琴键时，琴键下面的电路就将信号传送给振荡器１和振荡器２，产生相应的音高振荡频率；手指触键的力度信号也会同时传给包络发生器１和包络发生器２，并通知滤波器和放大器产生相应的音量及音色的变化；最后，声音信号通过放大器输出。低频振荡器的作用，是根据演奏者的需要，对所有其它部分──振荡器、滤波器和放大器──进行调制，从而使合成器能够发出颤音的效果。

在电子乐器发展的早期，人们对音色的认识尚不完整，以为只有频谱一种因素对音色起作用，因而只专注于频谱研究。当时是用波形合成的方法来体现不同的乐器频谱类型，譬如，用正弦波合成长笛的频谱，用锯齿波合成弦乐器的频谱，用三角波合成单簧管的频谱等，但发现合成出来的音色与真实乐器有较大距离。人们这时候才开始意识到，音色问题并非只涉及频谱一个要素。随着对音色感知的深入研究，科学家逐渐意识到音色与声音起始的时间、声音延续时的强度变化包络、伴随噪音、拍音数量、混响时间等因素都有密切联系。这些研究成果直接推动了电子乐器在声音合成技术方面的进步，使各种电子乐器发出的音色愈加逼真。从这个意义上讲，电子乐器的发展反过来对音乐声学、特别是乐音合成和感知的研究起到了促进作用。

随着数字电路的发展，上述模拟型电子乐器基本上已经被数字型电子乐器所取代。从乐器发声基本原理角度讲，数字型电子乐器与模拟型大致相同，只是前者在控制精度、可靠性和抗干扰等方面大大优于后者。

再来看电扩声乐器的发声原理：
其发声源是常规的发声体——弦或空气柱，但共鸣放大系统则完全被电子放大电路所取代，最后通过扬声器发出声响。因此说，电扩声乐器实际上是声学乐器与电子扩声系统结合的产物。在拾取声源信号的方式上，电扩声乐器又可分为两种，一种是拾取声源的磁变化信号，这种方式主要使用在弦乐器上。具体方法是：在弦的下方置有电磁感应器，弦振动时，其频率和幅度变化通过感应器转变为电信号，经放大电路放大后推动扬声器发出乐音。

另一种是通过小型麦克风直接拾取乐器的声音信号，然后传导到放大线路推动扬声器发声。这种方式主要使用在管乐器上。

绝大部分电扩声乐器是由乐器主体和扩大器两部分组成，二者通过线缆连接。也有少量乐器将扩声线路、甚至扬声器都置于乐器内部，其优点是由于扬声器与乐器溶为一体，演奏时声像定位比较真实。

比较电子乐器和电扩声乐器的声学系统可以发现，二者在扩声和放声系统上基本一致，只是在发声源和音高调控方式上有根本区别：电子乐器的声源系统和调控系统都是由电子线路构成，而电扩声乐器则是由常规声学材料与电子线路混合而成。

如果单纯从声音表现性能和控制技术上看，电子乐器具有更大的优势，就音色变化来说，目前一架最低档的电子合成器也可以发出数百种不同乐器的音色效果，而一架高档采样合成器，更可以模拟出世间万物的声响。凭借其各种控制功能，也完全可以模拟出所有电扩声乐器的声音效果。尽管如此，电扩声乐器依然有着巨大市场，这主要出于两个原因：第一，现场演出时，观众仍然需要演奏者表现出的充满激情的视觉效果，特别是电吉它和电小提琴演奏者时常做出的那种即兴式的演奏技巧，对音乐现场的气氛能够起到强烈烘托作用。第二，人们对音乐表演从来就存在一种追求多样化的本能，而电子乐器一般是由键盘方式来演奏，无法满足人类对演奏形式多样化的追求。由此可以看出，人类对乐器的需要，并非仅出于对声音上的满足，还包含着对表演方式和视觉效果的审美追求。

对常规声学乐器来说，影响乐器声音质量的主要因素无外乎声源和共鸣体的材料和制作工艺，对大多数乐器来说，由于制作工艺相对比较简单，因此材料的优劣就成为乐器音质的主要因素。而对电乐器的声音性能来说，由于声源（电子振荡器）和共鸣体（放大器）基本都是用相同的材料制成（当然也有不同档次之分），因此电乐器的音质优劣主要就取决于电路设计的理念和应用者驾驭这些乐器的技巧，这种情况在电子乐器上表现得最为突出。譬如，熟悉电子合成器的人都知道，世界上不同厂家品牌的合成器都有各自的音色特点，这种现象的背后，反映出的就是合成器生产商的设计理念和审美追求。

三、MIDI与MIDI乐器
“MIDI”是英文 Musical Instrument Digital Interface（乐器数字接口）四个单词的缩写，其技术含义是“电子乐器之间进行信息交换的标准”。现在，这一标准不仅应用在音乐领域，也应用于一些与音乐相关的领域，如电脑灯光照明和舞蹈表演控制设备中。MIDI最基本的用途就是传递电子乐器中的演奏控制信息，另一个功能就是传递与乐器音色参量、数字声频采样参数及其设定信息相关的数据。

国际MIDI标准委员会发布的MIDI标准，规定了电子乐器使用的硬件接口以及通讯规范。即它规定了所用插口的类型，连接线的类型和接口电路的电压／电流值，由此可以将不同厂家的系统统一起来。装有MIDI接口硬件和MIDI标准通讯软件的电子乐器就称为“MIDI乐器”。今天在市场上出售的所有电子乐器，如电钢琴、电子合成器、电子键盘和电子打击乐器，等等，都预置了MIDI接口和相关软件，因此都可以称为“MIDI乐器”。

由于今天的音乐制作越来越多地利用电子乐器，而电子乐器的演奏又离不开MIDI控制信息，久而久之，人们将有用电子乐器制作的音乐都统称为“MIDI”或“MIDI音乐”。这一名称似乎是用来与“电子音乐”进行区分：“MIDI音乐”只是表明音乐音响特征——用电子乐器制成，并无音乐风格和创作的含义；而“电子音乐”不仅有“用电子乐器和电子手段制作而成”的含义，同时还具有音乐风格和创作的内涵。真正意义的“电子音乐”，是指作曲家利用电子发声装置（并不一定是电子合成器）产生的声响为基本素材，通过各种电子手段加以发展、符合作曲家审美追求的音乐作品。这种音乐也可能与MIDI没有任何联系。由此而论，假如将莫扎特《第四十交响曲》用电子合成器加以改编、制作而成，就可以称为“MIDI音乐”，而不能称为“电子音乐”，因为当年莫扎特并没有从电子音乐风格的角度来创作这部作品。因此，如果听到有人说“我这部作品是用MIDI做的”，其真实含义或许就是指这首乐曲是用电子合成器等设备制作完成，与电子音乐完全是两码事。

如今绝大多数家用计算机也按装了符合MIDI标准的音乐软件和硬件，因此也都可以与带有MIDI接口的合成器等电子乐器相连，加上专门的记录和编辑MIDI的软件，就可以成为电子音乐制作控制中心。需要注意的是，这种制作与传统的录音方式不同，计算机所记录的MIDI信息只是与声音相关的控制信息，而不是声音的本身。即微型计算机在运行MIDI音序软件后，可以记录来自MIDI乐器设备的一些表演和控制信息，例如，按键信息（可以控制音高、音量和音长），操作轮信息（可以控制滑音、波音效果）和音色开关的动作等信息。当微型计算机重放所记录的这些信息时，这些信息会指挥MIDI乐器设备发出相应的音乐声响。

下面介绍一些常用的MIDI乐器以及相应的硬件和软件。

一）、键盘合成器（synthesizer）
合成器一般预置了一定数量的音色，代表这一音色的各种参量已被固化在内部的芯片中，一般不能进行直接修改。如要进行修改，首先要将数据读入到编辑缓冲器中，然后再进行编辑修改。有些合成器中的预置音色是可以直接修改的，但它可以重新恢复到厂家预置的状态。合成器中的音色一般有两种，一种称为基本音色；另一种称为合成音色。合成音色是由一个或多个基本音色合成得到的。由于合成器的内存有限，所以用户自己制作出的新音色可以存在外部的音色卡中，也可以用厂家提供的音色卡来扩充合成器可用的音色的数量。有些合成器除了以上功能外，还预置了各种常用律制，如平均律、纯律及五度相生律，用户也可以自行定律。

二）、音源（tone generator）
音源可以认为是不带键盘的合成器，但是它储存的音色更多，音色划分也更细。音乐家对音色的需求往往是无止境的，而键盘合成器中的音色往往不能满足他们的要求，因而就需要不断添置新的音源。音源中一些新的音色，往往成为音乐家的“至爱”。

三）、鼓机（electronic drum）
也称“电子鼓”。与合成器一样，鼓机也预置了各种节奏乐器的音色，并且将它们以不同的方式组合在一起，并编排在鼓机的乐器功能键上。这些乐器功能键都具有压敏特性，所以鼓机能根据敲击乐器键的不同力度来产生音量和音色的自然变化，得到非常逼真的打击乐声音。

四）、音序器（sequencer）
MIDI音序器，也称为时序器，它是用来记录MIDI主控键盘或从其它可发送MIDI信息的MIDI设备传送来的音乐信息和各种控制变化信息，或者重放所记录的MIDI信息数据，来使MIDI音源发出声音或响应各种控制变化信息，比如音色变化、音量变化及踏板动作等。从某种意义来讲，音序器相当于传统磁带录音系统中的多轨录音机。但多轨录音机记录的是具体的乐器（包括合成器）演奏时产生的电声信号，音序器所记录的，仅仅是MIDI键盘在弹奏时的音乐信息（键位、力度、踏板及其它有关的信息），这些信息以规定的MIDI格式进行编码，因而在重放所记录的信息时，可以任意地选择音色来重放。

随着MIDI技术的日益成熟以及硬件价格的下降，MIDI乐器逐步走进普通人的家庭。按目前市场价格，花2-3万元左右就可以拥有一套MIDI音乐制作系统，包括一台计算机（内置声卡和音序器软件），一个键盘合成器，一个音源，以及相关的周边设备。

设备的具体情况如下：
作为主控键盘，首先要求它必须能够传送出所有需要的控制信息，例如速率、键后响应、弯音、调制轮、踏板、音色变化和来自其它模拟推拉衰减器或控制轮的信息。其次要求它是一个全音域的键盘，以便能最大限度地发挥接收音源的合成能力。再次就是主控键盘可以是一台键盘合成器，也可以是一个不带音源的控制键盘。如果使用的是键盘合成器，就可以通过本机开关的控制，使其内部的音源在传送控制信息的同时发声或不发声。
对计算机而言，应当装有声卡和音乐制作软件，其作用是将MIDI数据与计算机语言间进行相互转换，并可以存储MIDI信息和合成器发出的音频信号。声卡的质量对最后的音响效果至关重要，因此应选择中档以上的产品。此外，还需要一台立体声功率放大器和一对音箱。在条件允许的情况下，如果再增加一个多轨调音台，录制较为复杂的音乐作品则更为方便。

就应用的范围来看，现代电乐器技术的发展正在全面颠覆传统声学乐器的市场，但就乐器声学原理来看，电子乐器的发展依然离不开对传统乐器的音响研究。许多高级电子乐器的价值，就体现在对传统乐器音响模拟的逼真度方面，电子乐器声学研究的范围不过是在传统乐器的基础上增加了诸如数字信号处理和一些计算机的知识而已。

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