文/王軼 中邵勇 蘇鉑硯

1.引言

音樂作品以聲音為表現(xiàn)手段，是聲音的藝術。任何音樂所發(fā)出的聲音，都是經(jīng)過作者精心思考后創(chuàng)作出來的，滲透著作者的創(chuàng)作思想與靈感。音樂的創(chuàng)作和表現(xiàn)，離不開文化和當時的社會背景。古往今來，音樂都在不斷訴說著不同時代人們的聲音。古有遷客騷人借用詩詞歌曲表達自己懷才不遇之情；今有各路rapper 用說唱抒發(fā)自己價值觀念。人們常常將自己的情感置于歌曲之中，因此詞曲能反應當時人們的情緒。

20世紀初的中國，經(jīng)歷了半殖民地半封建社會、舊民主主義革命時期、新民主主義革命時期，中華民族處在民族存亡的危急關頭。期間發(fā)生了很多重大的歷史事件，比如1911年辛亥革命，1912年中華民國成立，1919年五四運動，1921年中國共產(chǎn)黨成立，1927年“四·一二”政變等，這些大事件對1949年新中國成立及發(fā)生的一系列變化產(chǎn)生了巨大的影響。由于特殊的歷史年代，這一時期的音樂家創(chuàng)作的歌曲具有較高的藝術價值和深刻的思想內(nèi)涵，歌曲從不同角度宣揚了反帝愛國的思想和五四新文化運動所倡導的民主科學精神，這一時期是中國藝術歌曲形成和發(fā)展的重要階段，在中國藝術歌曲發(fā)展史上有著非常重要的地位。本文選取了1900-1930年的14 首代表性歌曲，每一首都帶著時代的烙印，對這些歌曲進行大數(shù)據(jù)研究分析,意圖用這些歌曲去探尋那個時代的主旋律，并詮釋在中國音樂發(fā)展史上具有重要地位的原因。

2.研究方法

2.1.歌曲的選擇

選取20世紀初期著名音樂家的14 首代表性歌曲，包括：沈心工的《黃河》（1905）、李叔同的《春游》（1931）、《送別》（1915）、黎錦暉的《可憐的秋香》（1921）、《總理紀念歌》（1925）、《毛毛雨》（1927）、《桃花江》（1928）、《特別快車》（1929）、趙元任的《賣布謠》（1922）、《教我如何不想他》（1926）、蕭友梅的《問》（1922）、陳嘯空的《湘累》（1924）、孫瑜的《萬里尋兄詞》（1930）、青主的《我住長江頭》（1930）。

2.2.整體研究

下載并提取14 首歌曲的音頻文件和全歌歌詞（數(shù)據(jù)采集），運用 MATLAB、Python 編程軟件及Word2Vec 訓練模型，分析曲調(diào)旋律（即語音信號的時域特性）和歌詞特征，在編程軟件中對數(shù)據(jù)進行可視化處理，得出曲調(diào)旋律的波形圖和歌詞的分布結果，分析歌曲的藝術性及時代特征。

2.2.1 曲調(diào)旋律分析

選取樣本歌曲，針對樣本歌曲的旋律語音信號，利用旋律的短時能量和短時平均過零率兩項數(shù)據(jù)的相關知識，建立波形圖研究方法，即將樣本歌曲的音頻文件輸入MATLAB 中，編程輸出得到相對準確的樣本歌曲的語音波形、短時能量波形以及短時平均過零率波形圖，以此可視化數(shù)據(jù)分析總結歌曲的藝術特點。

2.2.2 歌詞分析

針對樣本歌曲的歌詞，建立Word2Vec 訓練模型，在Python 中輸入14 首歌曲的完整歌詞，對其進行提取、分詞、向量化處理，得到14 首歌中出現(xiàn)頻率最高的詞匯，在該模型中用模擬得出高頻歌詞的相關詞匯，根據(jù)相關詞匯分析總結歌曲的時代特點。

2.3 軟件的選擇

選取軟件MATLAB、Python 進行數(shù)據(jù)分析，并對數(shù)據(jù)進行編程求解，分析數(shù)據(jù)。

2.3.1 曲調(diào)旋律部分采用MATLAB 的語音信號的時域特性分析——短時能量、短時平均過零率兩項數(shù)據(jù)分析，利用最終得出的音頻數(shù)據(jù)分析不同歌曲的特征。

2.3.2 歌詞部分采用Word2Vec 訓練模型，在Python 上將詞匯轉(zhuǎn)換成向量形式，并以詞匯作為樣本進行構建和訓練，有助于分析歌曲的時代特征。

2.4 研究假設

（1）所有數(shù)據(jù)均為原始數(shù)據(jù)，來源真實可靠。

（2）將每首歌的音頻剪輯下來，保存為wav 格式，錄入MATLAB 進行讀取。

（3）每首歌曲的剪輯音頻均為歌曲全曲，以確保特征分析的真實性、完整性。

（4）對于語音信號中的平均短時過零率，因為噪音環(huán)境與清音難以分辨，所以假設排除了所有的噪音干擾。

（5）對于歌詞分析得出的相關詞匯，認為其較為具有相關性，以此進行分析總結。

3.研究過程

3.1 語音信號的時域特性分析（曲調(diào)旋律分析）

3.1.1 短時能量介紹

由于語音信號是隨時間變動的非平穩(wěn)隨機過程，因此在對語音分析中可采用短時分析的方法。語音雖然是時變的然而具備短時相關性，這個相關性來源于人體發(fā)出聲音的器官具有慣性，因而語音的狀態(tài)不會發(fā)生漸變，在短時間內(nèi)語音信號的共性不會有較大變化，稱之為語音的短時平穩(wěn)性，在這短時的穩(wěn)定性中包含的能量就叫短時能量。

3.1.2 短時能量提取

短時能量可以通過下面公式來計算：

3.1.3 過零率介紹

過零率是指在每幀中，語音信號通過零點的次數(shù)，也就是信號在正負間變換的次數(shù)。

3.1.4 過零率計算

其中S 是采樣點的值，T 為幀長，函數(shù)π{A}在A 為真時值為1，否則為0。

3.1.5 讀取歌曲數(shù)據(jù)

我們在14 首歌曲中選取了6 首作為分析樣本，將它們的音頻保存為wav 格式，之后在MATLAB 中讀取運行，運行程序后得出的語音波形和短時能量圖如圖所示：

3.1.6 曲調(diào)旋律總體分析

通過對6 首歌曲語音波形、短時能量和短時平均過零率圖的數(shù)據(jù)分析，得出歌曲的曲調(diào)旋律總體分析：

（1）除了《我住長江頭》外，幾乎所有樣本歌曲的平均音調(diào)都較高，存在低音部分也占少量時長，副歌以高音為主，可以在一定程度上認定該時代的歌曲大多數(shù)以積極的情緒為主基調(diào)，結合時代背景分析，這些歌曲可能是為了喚醒大眾、增強民族凝聚力，給予人們堅持不懈、奮起抗爭的勇氣和信心。

（2）大部分歌曲的平均短時能量都較高，即使像《送別》存在大段短時能量較低時刻的歌曲也有短時能量爆發(fā)的副歌時刻，可以認定所選歌曲的整體聲音變化都較為劇烈，結合時代背景分析，那時候大部分歌曲很可能是為了鼓舞人心、激勵人們以積極樂觀的態(tài)度面對壓迫和困難。

（3）短時平均過零率呈現(xiàn)出與短時能量類似的情況，大部分歌曲短時平均過零率較高，此項數(shù)據(jù)主要是為了進行端點檢測，尤其是用來檢測清音的起止點，對于情感分析幫助不大，但是有助于我們分析歌曲結構。

（4）我們不難發(fā)現(xiàn)，樣本歌曲全部具有一定的周期性，可以認定上世紀初的歌曲有大量重復段落。分析原因如下：一是為了增強節(jié)奏感，唱起來使人感到親切、流暢和純樸；二是為了突出主題思想，有利于抒發(fā)作者的情感，增強作品的感染力，更好的喚醒大眾以堅韌的精神去面對艱難困苦并與列強抗爭。

3.2 歌詞分析

3.2.1 模型思想

運用Word2Vec 將詞語編碼映射到一個新的多維空間，在這個新的空間中，詞義相近的詞會有相近的位置，并且最終形成稠密矩陣。選取其中的Skip-gram 模型，提取出14 首歌曲中的20 個高頻詞匯，輸入計算他們的相關詞匯，尋求歌曲特征。

3.2.2 處理并讀取歌詞數(shù)據(jù)

（1）將歌詞提取出并進行分詞處理，之后將這些歌詞進行向量化處理，以便在之后的分析中利用研究詞匯之間的相關性，最后計算并提取14 首歌曲中20 個出現(xiàn)最高頻的詞匯，如下圖

（2）選取其中幾個情感偏向較為明顯的詞匯（其中包含一個不屬于出現(xiàn)頻率前20 名的詞“紀念”作為對比），輸入到Skip-gram模型當中，推測它們的原始語境（相關詞匯），結果如下圖

前20 名中出現(xiàn)頻率最高的為“秋香”（11 次），出現(xiàn)頻率最低的為“夕陽”（4 次）。

與“秋香”最相關的詞有“財主”“哈”“血如花”“疏鐘”“好”；與“我們”最相關的詞有“埋怨”“微風細雨”“華年”“垂”“腮”；與“可憐”最相關的詞有“從”“他”“梅花”“犧牲”“張開”；與“不要”最相關的詞有“一見”“君”“都”“一點兒”“繁華”；與“不想”最相關的詞有“餓倒”“挨”“麻煩”“又”“勻”；與“紀念”最相關的詞有“知不知道”“推翻”“地之角”“挨”“民主”（所有相關詞與原詞匯均來自于同一首歌）。

3.2.3 歌詞結果分析

我們首先分析所有歌曲的總體歌詞，總結出20世紀初期的歌曲大致可以分為民族愛國、苦難抗爭、歌頌愛情、展現(xiàn)生活四個主題。

（1）“軍伍”“革命”“血如花”“民主”等詞，營造了一種宏偉的氛圍，將當時中國的艱難處境、人民在苦難中堅持不懈地反抗以及革命的主題融合在一起，歌曲中的這一系列歌詞激勵著人們，給予人們不愿低頭、反抗壓迫的力量。

（2）“桃花”“戀愛”“蜜”等詞，以一些生活中平淡又使人心情愉悅的詞營造出一種歡快的氛圍，這些詞語符合當時人們對于美好愛情的期盼，且贊美女性、贊美愛情的語句毫不遮遮掩掩，讓人們能夠感同身受地體會到對愛情和生活的美好向往。

（3）“盛會”“飲酒”“賣補”“補褲”等一系列表現(xiàn)生活狀態(tài)的詞語顯示出了兩種截然相反的生活狀態(tài)，一邊是宴會上的歡歌笑語，一邊則是為生計發(fā)愁的貧困生活。通過描寫人們不同的生活狀況，把宴會的歡快舞動氛圍和底層人民的艱苦生活狀態(tài)描繪的淋漓盡致，表現(xiàn)出當時社會貧富差距過大等現(xiàn)狀，更表達了對勞動人民生活艱辛的同情之心。

（4）“毛毛雨”“微風”“黃河”“春風”“梨花”等詞，都是歌曲的景物主題或襯托景象，歌曲借景抒情，對于毛毛雨、黃河、春日等景象的描繪生動又引人入勝，在贊美大自然的同時抒發(fā)了作者的真摯情感，表達了作者對祖國山河的熱愛和對自由愛情的追求。

4.結論

4.1 運用數(shù)學軟件和模型研究，可以分析歌曲的藝術性和時代特征。本研究運用 MATLAB、Python 編程軟件及Word2Vec 訓練模型，對采集歌曲的曲調(diào)旋律的波形圖和歌詞的分布位置研究，可以較為科學、真實的分析歌曲的藝術性和時代特征。

4.2 總結20世紀初中國歌曲的藝術性和特征。根據(jù)歌曲的數(shù)據(jù)研究結果，結合時代背景，20世紀初中國歌曲總體有以下幾個方面的特點：

（1）開創(chuàng)了中國新音樂創(chuàng)作的先河。這一時期的音樂家絕大多數(shù)是留洋歸國的，在音樂創(chuàng)作時借鑒、運用西洋作曲的技術和方法，歌曲的有些曲調(diào)帶有強烈的外來色彩，歌詞則帶有濃郁的舊體詩詞的韻調(diào)，洋為中用，古為今用，使外來文化和中國民族傳統(tǒng)文化得到完美的結合，推動了學堂樂歌及中國近現(xiàn)代音樂文化的發(fā)展，宣告了一個新的音樂時代的到來。

（2）題材廣泛。歌曲涵蓋了田園風光、美好愛情、懷念親友、歌頌偉人、愛國憂國、苦難抗爭、展現(xiàn)生活等題材，符合人們多樣化的興趣愛好，深受廣大民眾的喜愛，表現(xiàn)出當時音樂家深厚的文化底蘊和音樂素養(yǎng)。

（3）樂觀積極。在江河破碎的沉悶年代，音樂家仍然對祖國的未來充滿希望、對生活充滿期待，他們歌頌愛情、贊美山水田園，表達了人們對美好生活的向往。

（4）愛國憂國。當時的中國，外有帝國主義的欺凌壓榨，內(nèi)有軍閥連年混戰(zhàn)，人民遭受著無比深重的災難。音樂家們受“五四”新文化運動的影響，思想積極，在民族存亡的危機時刻，不忘用音樂喚醒民眾，用歌聲號召百姓，增強愛國救國的民族意識和凝聚力，鼓勵國人對侵略者和軍閥的殘酷壓迫奮起反抗、勇敢戰(zhàn)斗，表現(xiàn)出知識分子強烈的愛國情懷、抗擊侵略者的迫切愿望和中國人民必勝的堅定信心。

4.3 分析歌曲的意義。上述歌曲的特點表明，20世紀初音樂家創(chuàng)作的歌曲體現(xiàn)了鮮明的民族特色和獨特的時代特征，具有較高的藝術價值和深刻的思想內(nèi)涵，這一時期成為中國藝術歌曲形成和發(fā)展的重要階段，在中國歌曲發(fā)展史上具有非常重要的地位，也是世界音樂文化的瑰寶。

5.思考

（1）眾所周知，音樂更多的是感性，是心靈和情感在聲音方面的外化，數(shù)學更多的是理性，是事物高度抽象和邏輯思維的產(chǎn)物。通過本研究我們發(fā)現(xiàn)，豐富、有趣、充滿情感的感性音樂與單調(diào)、枯燥、冷漠的理性數(shù)學之間存在著密切關系的，他們用不同的方式來描述世間萬物，互相滲透，互相促進，體現(xiàn)了音樂和數(shù)學都能描述和揭示自然界和諧統(tǒng)一的規(guī)律。感性的音樂中處處閃現(xiàn)著理性的數(shù)學的影子。

（2）通過對大量數(shù)據(jù)的研究分析發(fā)現(xiàn)，在當今計算機和信息技術飛速發(fā)展的時代，可以嘗試用數(shù)學軟件對最受公眾歡迎的各類型歌曲進行分析比對，模仿創(chuàng)作出更多類似元素的歌曲，以更好的滿足廣大消費者的不同需求。我們期待大數(shù)據(jù)為音樂創(chuàng)作提供更廣闊的平臺，為傳統(tǒng)的音樂創(chuàng)作轉(zhuǎn)型升級為互聯(lián)網(wǎng)+音樂創(chuàng)作奠定堅實的基礎。我們相信在未來的音樂事業(yè)中,數(shù)學將會發(fā)揮越來越重要的作用。（作者單位：西北大學）