鋼琴噪聲衰減的實(shí)驗(yàn)研究

1關(guān)于不諧和諧波隨著helmhol提出波幅和等級(jí)制度是影響聲音質(zhì)量的主要因素，已經(jīng)討論了許多關(guān)于波幅譜的研究，但仍有許多工作需要進(jìn)行。而在幅度譜之中，第七、第九次諧波是2個(gè)很特殊的諧波。因?yàn)樗鼈兪卿撉俾曇羟?0個(gè)諧波中僅有的2個(gè)不諧和諧波，所以研究其對(duì)音質(zhì)的影響是很重要的。原蘇聯(lián)版的《鋼琴制造》上介紹：所有的三角鋼琴和立式鋼琴，低音區(qū)和中音區(qū)的擊弦點(diǎn)幾乎同樣都是在弦長(zhǎng)的1/7和1/9部位上，只是在高音區(qū)有各種顯著的變化。格羅特利安-斯坦威克公司采用的擊弦點(diǎn)為弦長(zhǎng)的1/7和1/9。從這些經(jīng)驗(yàn)觀點(diǎn)和琴弦振動(dòng)理論來(lái)看，選擇擊弦點(diǎn)的目的是為抑制某個(gè)不諧和諧波。而在鋼琴的實(shí)際生產(chǎn)中，為達(dá)到這個(gè)目的，往往以犧牲別的諧和諧波作為代價(jià)。比如考慮到鋼琴弦槌的寬度，很多鋼琴琴鍵的擊弦點(diǎn)選在弦長(zhǎng)的1/8處，這樣做雖然抑制了第七、第九次諧波但卻損失了第八次諧波。因此要研究既要衰減第七、第九次諧波，而又不改變其它諧波的幅度，鋼琴聲音的音質(zhì)是否會(huì)得到改善？筆者將從主觀心理聽(tīng)覺(jué)特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的角度出發(fā)研究一問(wèn)題。2諧波對(duì)音色的影響筆者的研究以多媒體計(jì)算機(jī)作為工具，運(yùn)用一些聲學(xué)軟件，對(duì)鋼琴聲音進(jìn)行錄音、處理，以改變鋼琴聲音的幅度譜（特別是中低音鍵的七、九次諧波），然后重發(fā)，由專(zhuān)業(yè)調(diào)音師進(jìn)行音質(zhì)評(píng)價(jià)，從而確定鋼琴聲音幅度譜中第七、第九次諧波與音質(zhì)的關(guān)系。研究工作包括中低音琴鍵的分析與處理，具體步驟如下。(1）用傳聲器進(jìn)行錄音，經(jīng)過(guò)聲卡將模擬信號(hào)數(shù)字化處理后直接存入計(jì)算機(jī)保存。錄音在半消聲室進(jìn)行，為接近自由聲場(chǎng)，地面還鋪設(shè)有一層吸聲板。錄音和分析處理軟件均采用Cooledit，錄音采樣頻率為44.1kHz，精度為16bit。傳聲器是無(wú)指向性的，安置在距鋼琴后面1m，離地面1m處。(2）計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到鋼琴聲音的頻譜圖或幅度譜圖。(3）利用Cooledit軟件上面的濾波器有意識(shí)的對(duì)幅度譜中第七、第九次諧波的幅度進(jìn)行衰減處理。(4）將處理后的聲音存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人士（鋼琴?gòu)S的專(zhuān)業(yè)調(diào)音師）進(jìn)行試聽(tīng)驗(yàn)證。2.1關(guān)于七、九次諧波的統(tǒng)計(jì)和分析根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)條件和過(guò)程，逐一對(duì)鋼琴聲音的幅度譜進(jìn)行分析和處理。下面以某鋼琴的#C3鍵（第29鍵）為例說(shuō)明實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果。圖1和圖2是某鋼琴#C3鍵原始及衰減后的幅度譜圖。在圖1和圖2中，為使圖顯示得更清楚，頻率取值已被限制在一定范圍內(nèi)，把第七、第九次諧波進(jìn)行6dB衰減處理的幅度譜圖與圖2類(lèi)似，由于分貝尺度是經(jīng)過(guò)實(shí)際聲壓的對(duì)數(shù)變換過(guò)來(lái)的，所以變?yōu)閷?shí)際的聲壓幅度，就相當(dāng)于對(duì)第七、第九次諧波的實(shí)際聲壓幅度分別減少了30%和50%。這樣對(duì)鋼琴聲音進(jìn)行逐個(gè)處理，存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里，然后進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證。根據(jù)主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，需要多個(gè)專(zhuān)業(yè)人士的共同評(píng)比，然后取其統(tǒng)計(jì)平均。這次實(shí)驗(yàn)共做了14組，即做了從A0鍵（第1鍵）開(kāi)始每隔4鍵一直到#C5鍵（第53鍵）。因?yàn)樵?C5鍵之后鋼琴聲音的幅度譜圖中的高次諧波已經(jīng)較少，基本上是四次之后的諧波被背景噪聲所淹沒(méi)，所以高次諧波的分析處理就無(wú)法進(jìn)行；同時(shí)在高音琴鍵部分的高次諧波的頻率很高，基本上超出了人耳聽(tīng)覺(jué)特性的有效范圍，因此可省略對(duì)高音琴鍵的高次諧波的研究。用計(jì)算機(jī)重放處理過(guò)的聲音，請(qǐng)專(zhuān)業(yè)調(diào)音師來(lái)試聽(tīng)判別。該實(shí)驗(yàn)請(qǐng)了6位調(diào)音師，每人都把原始聲音和第一、第二次處理后的聲音聽(tīng)一遍，聽(tīng)的時(shí)候，沒(méi)有告知他們哪個(gè)是處理的，哪個(gè)是原始的，然后讓他們選出覺(jué)得比較好的聲音。統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí)，因?yàn)橛幸晃徽{(diào)音師是從諧波多寡方面來(lái)判別，還有一位調(diào)音師是從鋼琴聲音的尾音長(zhǎng)短來(lái)考慮，所以略去不計(jì)；剩下的只是4位調(diào)音師的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表1是剔除異常數(shù)據(jù)（41鍵的數(shù)據(jù)因調(diào)音師不能確定地判斷而被剔除）后的心理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如只從表1中的單項(xiàng)數(shù)據(jù)看，并沒(méi)有哪個(gè)聲音占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，表中縱向數(shù)據(jù)的和有時(shí)候并不等于4，而總共是有4個(gè)人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，即該實(shí)驗(yàn)人員認(rèn)為3個(gè)聲音沒(méi)有明顯的區(qū)別。但統(tǒng)計(jì)每種聲音對(duì)應(yīng)的所有鍵好評(píng)的人數(shù)：原始聲音的總?cè)藬?shù)是16，衰減3dB的總?cè)藬?shù)是8，衰減6dB的總?cè)藬?shù)是21，可以看出，衰減6dB的聲音的音質(zhì)相對(duì)來(lái)說(shuō)獲得了更多實(shí)驗(yàn)人員的認(rèn)可。如果進(jìn)一步把這3種情況視作是三水平多次抽樣的一個(gè)統(tǒng)計(jì)，得分就是其抽樣值，以顯著性水平α=0.05作單因素方差分析，得出F值為7.18，遠(yuǎn)大于F此外，筆者作了一次更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，對(duì)鋼琴聲音的第七和第九次諧波做了10～20dB的衰減，并請(qǐng)了7位調(diào)音師來(lái)試聽(tīng)和驗(yàn)證，結(jié)果有多位調(diào)音師反映，鋼琴音質(zhì)不但沒(méi)有得到很大的改善，對(duì)有些聲音來(lái)說(shuō)，反而變得很單薄難聽(tīng)了。所以，假如對(duì)第七第九次諧波衰減得太多，或完全把它們?nèi)サ舻脑挘赡軙?huì)收到適得其反的效果。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可認(rèn)為減小第七、第九次諧波的幅度在一定程度上能改善鋼琴聲音的音質(zhì)，但不能減少得太多或完全去掉。2.2材料中和聲的衰減處理上面考慮了單鍵情況下不諧和諧波對(duì)鋼琴音質(zhì)的影響。在音樂(lè)領(lǐng)域中，經(jīng)常涉及的另一個(gè)問(wèn)題是和聲的諧和性，它用于作曲、編曲以及演奏等多方面。因此進(jìn)一步考察研究了常用的大三度和聲、五度和聲、三度和弦這3種情況。主要目的是研究第七和第九次不諧和諧波在鋼琴和弦中的影響。首先得到2個(gè)諧和音的2個(gè)鍵的聲音資料，然后分別對(duì)第七和第九次不諧和諧波做3dB和6dB的衰減處理，再合成。具體步驟如下。(1）得到2個(gè)三度和聲的錄音，對(duì)它們分別進(jìn)行七和九次諧波的3dB和6dB的衰減處理。(2）分別把2個(gè)鍵的原始錄音和3dB,6dB衰減處理后的聲音分別合成起來(lái)，這樣就相當(dāng)于在演奏當(dāng)中同時(shí)按下2個(gè)和弦音。下面以某鋼琴的#A2鍵和#C3鍵為例，觀察它們的合成幅度譜圖如圖3和圖4所示。明顯的，合成的幅度譜就相當(dāng)于把2個(gè)鍵單獨(dú)的幅度譜疊加在一塊。這是由于2個(gè)琴鍵聲音之間的不相關(guān)特性所致。(3）結(jié)果分析。這些處理結(jié)果的驗(yàn)證過(guò)程與上一節(jié)所述相同，是由幾個(gè)調(diào)音師來(lái)對(duì)它們分別打分。表2是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。從表2中的數(shù)據(jù)來(lái)看，沒(méi)有哪一項(xiàng)占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是從總數(shù)來(lái)看，選擇每種聲音的總?cè)藬?shù)分別為17,17和24。即第3種情況下，也就是衰減6dB的得分較高。而衰減了3dB的聲音，與原始錄音沒(méi)有很大的區(qū)別。在6dB時(shí)的總數(shù)上的微弱優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明了在大三度和聲的情況下，對(duì)第七第九次諧波的衰減處理，確實(shí)可使音質(zhì)略有改善，只是效果還不是很明顯。2.3復(fù)合聲音的平均成分配五度和聲情況的分析方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程與大三度和聲一樣，這里不再詳述，表3是實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表3中的數(shù)據(jù)來(lái)看，較難看出哪一項(xiàng)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是從總數(shù)來(lái)看，選擇每種聲音的總?cè)藬?shù)分別為17,18和25，可看出還是衰減6dB的聲音占優(yōu)勢(shì)。所以，在五度和聲中，僅僅衰減第七第九次諧波的幅度，對(duì)鋼琴聲音音質(zhì)也有所改善。2.4九次諧波對(duì)音色的影響處理過(guò)程如上幾種情況一樣。抽樣對(duì)鋼琴聲音進(jìn)行處理完畢后，請(qǐng)專(zhuān)業(yè)調(diào)音師辨別。表4是實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表4中的數(shù)據(jù)來(lái)看，較難直接看出哪項(xiàng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是從總數(shù)來(lái)看，選擇每種聲音的總?cè)藬?shù)分別為13,8和19，以顯著性水平α=0.05作單因素方差分析，得出第七、九次諧波衰減對(duì)音質(zhì)有顯著影響，第3種情況下即第七、九次諧波衰減6dB時(shí)鋼琴的音質(zhì)確實(shí)較好。由此看來(lái)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果和前面幾種情況的討論類(lèi)似。3關(guān)于七、九次諧波的衰減值根據(jù)圖形分析和制表數(shù)據(jù)分析，可清楚地看到：對(duì)第七和第九次諧波進(jìn)行衰減處理，無(wú)論對(duì)單鍵，雙鍵和聲或三鍵和弦，鋼琴聲音的音質(zhì)確實(shí)都有所改善。但如果將第七和第九次諧波衰減得太多的話，反