張永飛，王 鑫，李大康

(中國傳媒大學(xué) 音樂與錄音藝術(shù)學(xué)院，北京 100024)

通常樂器的最佳拾音位只是根據(jù)樂器的聲壓級空間輻射特性進(jìn)行確定的.西方關(guān)于樂器聲壓級輻射特性的研究較為廣泛，Meyer[1]對交響樂隊中樂器的聲輻射特性做了詳細(xì)的研究與闡述，其他的學(xué)者也做了許多拓展性的探究[2-3].而在樂器諧和性感知方面，西方學(xué)者也基于主觀評價實驗及數(shù)理分析，提出了表征諧和性的客觀參數(shù)，由此很好地解決了西樂交響性的問題，但是并未見到該理論用于樂器拾音的研究中[4-5].反觀國內(nèi)，我國對于民族樂器的研究還處于萌芽狀態(tài)，目前對于民族樂隊的編制以及不同樂器拾音的傳聲器擺位還沒有找到比較統(tǒng)一的結(jié)論，民族樂隊普遍存在音色差異明顯、響度不平衡等問題，這種現(xiàn)狀與樂器聲學(xué)研究文獻(xiàn)的匱乏有直接的聯(lián)系.華南理工大學(xué)的趙越喆等在半消聲室對中胡等樂器進(jìn)行指向性指數(shù)測算，但是由于測試點選取偏少，得到的結(jié)果較為粗略[6].

依據(jù)樂器的聲壓級輻射特性來確定其最佳拾音位，雖然可以保證樂器聲壓級輻射最大，但不能保證聽感上是最諧和悅耳的.因此在對樂器聲壓級輻射特性測量的基礎(chǔ)上，對其不同輻射方向上的諧和性進(jìn)行測算，探究樂器在聽感上的諧和性指向與聲壓級輻射指向的關(guān)系，可以對樂器錄音提供新的可行性思路.本文以古箏為研究對象，分別進(jìn)行聲壓級輻射特性及諧和性指向特性測算，并通過主觀評價加以驗證，進(jìn)而得到古箏的最佳拾音位置.

1 指向性測試方法

圖1 傳聲器陣列的3維模擬圖Fig.1 Three-dimensional figure of microphone array

本次古箏指向性的測量是在中國計量科學(xué)研究院力學(xué)與聲學(xué)計量研究所消聲室中進(jìn)行，消聲室凈空間尺寸為： 長×寬×高=14.00m×11.40m×8.80m(行走網(wǎng)到頂面的高度為6.0m).空調(diào)關(guān)閉時，A計權(quán)噪聲為-2dB；空調(diào)開啟時，A計權(quán)噪聲為4dB.

測量采用同期多軌的方式，以樂器的幾何中心為球心，設(shè)置一個半徑為1.5m的傳聲器球形陣列支架，傳聲器數(shù)量為34支，如圖1所示.實際操作時，由于陣列架的高度不便調(diào)節(jié)，因此通過調(diào)節(jié)演奏員座椅高度的辦法使得樂器的幾何中心處于球心所在位置.傳聲器用特制的夾子固定在陣列架的金屬管上，為避免金屬管對于高頻的反射影響到測量結(jié)果，各傳聲器與金屬管之間有一定距離，部分金屬管還包有吸聲材料.因此各傳聲器振膜與球心的實際距離是1.4m，每支傳聲器的具體位置見表1.表中傳聲器空間方位采用垂直角(-22.5°≤φ≤90°)和水平角(-120°≤θ≤120°)表示.在水平面上(φ=0°)，θ=-90°，0°和90°分別表示樂器的正左、正前和正右方.

表1 34支傳聲器空間方位角設(shè)置

注： a) 數(shù)值為θ的值，單位為°.

測試系統(tǒng)基于丹麥B&K(Brüel & Kjr)公司推出的PULSE電聲測量測試系統(tǒng)，PULSE系統(tǒng)的平臺包括軟件、硬件兩個部分，本次測試所使用的硬件部分主要包含傳聲器、數(shù)據(jù)采集前端和運行PULSE軟件平臺的PC工作站.34支4190測試傳聲器配2669前置放大器，通過七芯LEMO(雷莫)電纜連接3560D/3560C數(shù)據(jù)采集前端，3臺數(shù)據(jù)采集前端通過網(wǎng)線連接一臺以太網(wǎng)交換機(jī)，以太網(wǎng)交換機(jī)同時通過網(wǎng)線與運行PULSE軟件平臺的PC工作站相連接.34路音頻信號由PULSE軟件平臺的PULSE Time Data Recorder記錄軟件進(jìn)行多軌同期記錄，記錄的采樣率為65.536kHz，量化精度為16bit，儲存格式為pti.后期使用PULSE平臺的Time Edit & Analyze軟件將該格式轉(zhuǎn)換成wav格式，再通過Pro tools音頻工作站將wav格式采樣率轉(zhuǎn)換成44.1kHz.

在測試系統(tǒng)連接完成后，對測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn).校準(zhǔn)采用整體標(biāo)定法，即用已知頻率、幅度的聲壓級值作為標(biāo)準(zhǔn)，去校準(zhǔn)由傳感器、前端組成的測量系統(tǒng).本次測試中，使用B&K的4231聲壓級校準(zhǔn)器，將4190傳聲器插入聲壓級校準(zhǔn)器，使用聲壓級校準(zhǔn)器分別發(fā)生94dB和114dB的1kHz測試信號.通過PULSE平臺中的校準(zhǔn)軟件自動檢測到校準(zhǔn)器發(fā)出的信號，并自動執(zhí)行正確的校準(zhǔn)程序.校準(zhǔn)成功之后得到增益調(diào)整將自動替換校準(zhǔn)前的舊值.為了使測得的信號在后期處理時能供其他分析軟件使用，校準(zhǔn)之后，分別在每一個通道上記錄了94dB和114dB的1kHz校準(zhǔn)信號.

本次錄制的素材包括3種力度(pp(pianissimo，很弱)、mf(mezzo-forte，中強(qiáng))、ff(fortissimo，很強(qiáng)))演奏的單音和以中等力度(mf)演奏的技法及代表性曲目，單音用于進(jìn)行指向性分析，演奏技法或旋律用于主觀聽評.參照文獻(xiàn)[6]關(guān)于演奏力度的定義，本文關(guān)于演奏力度的定義為： pp應(yīng)盡可能溫柔的演奏，但發(fā)音清晰，音調(diào)為衰竭；mf采用中等力度，盡可能輕松、舒適的演奏；ff應(yīng)用盡量大的力度演奏，但不粗魯，且聲音仍悅耳，不出現(xiàn)破音[7].關(guān)于錄制古箏音域內(nèi)的所有單音，從大字組D直至小字三組d3.錄制的演奏技法包括搖指、輪指、刮奏和泛音等.代表性曲目分別選取能表現(xiàn)樂器聲音特點的文曲和武曲.在錄制過程中，演員盡量保持演奏姿勢不變.每個信號彈奏3遍，以方便后期選取最佳的實驗信號.本文采用中等力度的單音信號進(jìn)行指向性分析.

2 指向性測算結(jié)果

2.1 聲壓級輻射特性

通過對單音進(jìn)行頻譜分析，讀取基頻及前6次諧波的能量，得到不同頻率在每個方向上的輻射能量.選擇基頻和前6次諧波是因為有相關(guān)文獻(xiàn)表明基頻和前6次諧波是感知音色最主要的頻率成分[8].為了保證頻譜分析時有較高的頻率分辨率，快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation, FFT)長度選擇為32768個采樣(約743ms)，采用漢明窗.根據(jù)Meyer分析西洋樂器聲輻射特性的方法，以3dB劃分范圍作為樂器的聲壓級輻射區(qū)域[1].能量最大值設(shè)為0dB，其他值減去最大值后，找出大于等于-3dB的數(shù)值所對應(yīng)的角度范圍.總結(jié)和歸納不同頻率點聲輻射區(qū)域，得到樂器在不同頻率的聲壓級輻射區(qū)域，如圖2所示.

圖2中顏色越偏向深紅色，輻射聲壓級越大；顏色越偏向藍(lán)色，輻射聲壓級越小.從測量結(jié)果可以看出，隨著頻率的升高，聲輻射特性變得越來越尖銳.在500Hz以下，古箏的聲輻射特性基本上呈全方向性；在500Hz～2kHz之間，聲輻射區(qū)域主要位于傳聲器5，8，11～13，19～25、30～32所在的方位，主要包含3個區(qū)域： 第一個在演員的正前上方略偏右的方向；第二個在演員的左側(cè)及前左側(cè)偏上的方向；第三個在演員的右側(cè)及前右側(cè)偏下的方向.在3kHz～4.5kHz之間，聲輻射區(qū)域主要位于傳聲器1～5，8～12，19～20所在方位，主要包含兩個區(qū)域： 第一個是樂器正前上方略偏右側(cè)的方向；第二個在樂器左側(cè)及前左側(cè)偏上的方向.在4.5kHz～6kHz之間，聲輻射區(qū)域主要位于傳聲器1～4，12～13及19～20所在的方位，主要包含兩個區(qū)域： 第一個是樂器正前上方及前上方偏左的區(qū)域；第二個是樂器左側(cè)及前左側(cè)偏上的區(qū)域.在6kHz～7kHz之間，聲輻射區(qū)域主要位于傳聲器5～11，19～22及28～31所在的方位，主要包含兩個區(qū)域： 第一個是樂器正前上方垂直角約為45°的方向；第二個是樂器左側(cè)及前左側(cè)偏下的區(qū)域.

將不同拾音位置上所有的頻率計算結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均，然后以最大值為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，得到古箏聲輻射特性在不同方向上的平均結(jié)果，如圖3所示.圖中橫坐標(biāo)表示水平角(θ)，縱坐標(biāo)表示垂直角(φ).由此可以看出古箏的聲輻射區(qū)域主要包含兩個輻射區(qū)域： 第一個是古箏正前上方及偏右的位置，0°≤θ≤60°，45°≤φ≤90°；第二個是古箏左側(cè)及左側(cè)偏上的位置，-110°≤θ≤-50°，0°≤φ≤22.5°.

圖2 古箏不同頻率聲壓級輻射特性Fig.2 Directivity patterns of radiation pressure for different frequencies of Guzheng

圖3 歸一化的古箏聲壓級輻射特性Fig.3 Normalized directivity patterns of Guzheng radiation pressure

2.2 諧和性指向特性

對不同方向的單音進(jìn)行聽感諧和性計算，得到單音的聽感諧和性指向，進(jìn)而從音色悅耳度角度探究樂器的最佳拾音位置.在文獻(xiàn)[9]中，通過對中國彈撥樂器的客觀聲學(xué)參數(shù)與主觀評測結(jié)果進(jìn)行多元統(tǒng)計分析，得到彈撥樂器單音的聽感諧和性評價公式：

Y=-0.17C-3600F+142，

(1)

式中：Y為單音聽感諧和性系數(shù)；C為頻譜質(zhì)心(spectral centroid)；F為頻譜平滑度(spectral flatness).本文根據(jù)式(1)測算出古箏每個單音在不同方向上的諧和度，然后進(jìn)行[0，100]的歸一化處理得到該單音的諧和度指向結(jié)果.圖4顯示了古箏所有單音的諧和度指向結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示傳聲器的位置.由于古箏的最高音為小字三組的d3，轉(zhuǎn)換成頻率約為1319Hz，因此圖中的橫坐標(biāo)頻率上限即為此頻率.從圖中結(jié)果可以看出，古箏的諧和性指向與頻率的相關(guān)性不大，沒有呈現(xiàn)出隨著頻率增大，指向性變得尖銳的特點.對于頻率低于900Hz的頻段，諧和性指向區(qū)域主要位于傳聲器19～21的方位，即樂器水平左側(cè)的位置；對于900Hz～1.3kHz的頻段，諧和性指向區(qū)域主要位于傳聲器1，3，5的方位，即在樂器正前上方，67.5°≤φ≤90°.

對每個拾音位置的所有單音的聽感諧和性進(jìn)行算數(shù)平均，將得到古箏不同方向上諧和性指向特性的平均值，如圖5所示.從實驗結(jié)果可以看出古箏諧和性指向區(qū)域主要分布在3個方向： 第一個是在樂器正前上方，67.5°≤φ≤90°；第二個方向在樂器左側(cè)位置，-120°≤θ≤-50°，-22.5°≤φ≤22.5°；第三個方向在樂器正前上方，φ=30°.

圖4 古箏單音的諧和性指向特性Fig.4 Directivity patterns of consonance for different frequencies of Guzheng

圖5 歸一化的古箏諧和性指向特性Fig.5 Normalized directivity patterns of Guzheng consonance

2.3 實驗結(jié)果的驗證

采用主觀評價來驗證實驗結(jié)果的有效性.實驗信號均為消聲室錄制的古箏單音以及旋律，為了較為全面的覆蓋古箏常用音區(qū)，單音分別選取了小字一組的d1，小字二組的d2和小字三組的d3.根據(jù)文中分析得出的聲壓級輻射特性以及諧和性指向特性，分別從單音以及旋律中挑選出4～5個差異較大的傳聲器位置進(jìn)行主觀評價.實驗方法采用對偶比較法，比較響度以及音色悅耳度，用來反映不同方位實驗信號的輻射聲壓級以及諧和性特性.實驗的被試共11名，年齡分布在20～24歲，男女比例合適(5名女性，6名男性)，所有被試均有錄音相關(guān)的專業(yè)背景以及聽音的經(jīng)驗.重放設(shè)備為監(jiān)聽耳機(jī)AKG K271 MkⅡ，監(jiān)聽聲壓級為75dBA.通過重測信度檢驗，剔除了2個無效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示.

圖6 單音及旋律信號在不同麥克風(fēng)位置的驗證結(jié)果Fig.6 Comparison results between normalized objective data and subjective data for different microphone positions

圖6中旋律的客觀測算結(jié)果采用平均計算的結(jié)果與主觀評價進(jìn)行相關(guān)性分析.從圖中結(jié)果可以看出，主觀評價的結(jié)果與客觀測算的結(jié)果相關(guān)性很高，均在0.75以上.因此文中關(guān)于聲壓級輻射特性及諧和性指向特性的測算方法可以較為準(zhǔn)確地反映古箏響度及音色悅耳度的方向輻射特性.

2.4 討論

從古箏聲輻射特性的結(jié)果可以看出隨著頻率的增加，聲輻射特性變得越來越尖銳，而諧和性指向特性與頻率的相關(guān)性不大.通過對不同方向上所有頻率的結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均可以大致反應(yīng)古箏在各個方向整體的輻射特性.結(jié)合古箏聲壓級輻射特性及協(xié)和性指向特性的結(jié)果，可獲得輻射響度較大且音色較為悅耳的區(qū)域，即最佳拾音位，相對應(yīng)的大致方位是：

1) 古箏的正前上方及上方偏右的位置，0°≤θ≤60°，67.5°≤φ≤90°；

2) 古箏左側(cè)及左側(cè)偏上的位置，-110°≤θ≤-50°，0°≤φ≤22.5°.

3 結(jié) 語

本文通過多通道同期錄制的方式，在消聲室測試了古箏的輻射特性，包括聲壓級輻射特性及諧和性指向特性.通過結(jié)合這兩種指向特性的結(jié)果，可以保證獲取的拾音區(qū)域既有較大的響度，又有較為悅耳的音色，為探究樂器的最佳拾音位提供一種新的研究方法.經(jīng)測算發(fā)現(xiàn)，古箏的最佳拾音位有兩個： 一個是位于樂器的正前上方及上方偏右的位置；另一個位于樂器的左側(cè)及左側(cè)偏上的位置.當(dāng)前對準(zhǔn)古箏底部的共鳴孔進(jìn)行拾音較為常見，該位置處聲音清晰，響度較大，且觀賞效果好，但缺點在于低頻過重.因此，在今后對古箏進(jìn)行拾音時，可以考慮將傳聲器設(shè)置在本文得出的“最佳拾音位”，作為主話筒(或輔助話筒)進(jìn)行錄制，以提升古箏拾音時的音質(zhì).

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