古箏拾音的最佳方位研究

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(jí)空間輻射特性進(jìn)行確定的.西方關(guān)于樂器聲壓級(jí)輻射特性的研究較為廣泛，Meyer[1]對交響樂隊(duì)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(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(diǎn)選取偏少，得到的結(jié)果較為粗略[6].

依據(jù)樂器的聲壓級(jí)輻射特性來確定其最佳拾音位，雖然可以保證樂器聲壓級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)輻射特性及諧和性指向特性測算，并通過主觀評(píng)價(jià)加以驗(yàn)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(jì)量科學(xué)研究院力學(xué)與聲學(xué)計(jì)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(shí)，A計(jì)權(quán)噪聲為-2dB；空調(diào)開啟時(shí)，A計(jì)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(gè)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(shí)際操作時(shí)，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(shí)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(tái)包括軟件、硬件兩個(gè)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(yùn)行PULSE軟件平臺(tái)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(tái)數(shù)據(jù)采集前端通過網(wǎng)線連接一臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)，以太網(wǎng)交換機(jī)同時(shí)通過網(wǎng)線與運(yùn)行PULSE軟件平臺(tái)的PC工作站相連接.34路音頻信號(hào)由PULSE軟件平臺(tái)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(chǔ)存格式為pti.后期使用PULSE平臺(tái)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(jí)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(jí)校準(zhǔn)器，將4190傳聲器插入聲壓級(jí)校準(zhǔn)器，使用聲壓級(jí)校準(zhǔn)器分別發(fā)生94dB和114dB的1kHz測試信號(hào).通過PULSE平臺(tái)中的校準(zhǔn)軟件自動(dòng)檢測到校準(zhǔn)器發(fā)出的信號(hào)，并自動(dòng)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(dòng)替換校準(zhǔn)前的舊值.為了使測得的信號(hào)在后期處理時(shí)能供其他分析軟件使用，校準(zhǔn)之后，分別在每一個(gè)通道上記錄了94dB和114dB的1kHz校準(zhǔn)信號(hào).

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(píng).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(diǎn)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(gè)信號(hào)彈奏3遍，以方便后期選取最佳的實(shí)驗(yàn)信號(hào).本文采用中等力度的單音信號(hào)進(jìn)行指向性分析.

2 指向性測算結(jié)果

2.1 聲壓級(jí)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(gè)方向上的輻射能量.選擇基頻和前6次諧波是因?yàn)橛邢嚓P(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(shí)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(gè)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(jí)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(diǎn)聲輻射區(qū)域，得到樂器在不同頻率的聲壓級(jí)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(jí)越大；顏色越偏向藍(lán)色，輻射聲壓級(jí)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(gè)區(qū)域： 第一個(gè)在演員的正前上方略偏右的方向；第二個(gè)在演員的左側(cè)及前左側(cè)偏上的方向；第三個(gè)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(gè)區(qū)域： 第一個(gè)是樂器正前上方略偏右側(cè)的方向；第二個(gè)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(gè)區(qū)域： 第一個(gè)是樂器正前上方及前上方偏左的區(qū)域；第二個(gè)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(gè)區(qū)域： 第一個(gè)是樂器正前上方垂直角約為45°的方向；第二個(gè)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(jì)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(gè)輻射區(qū)域： 第一個(gè)是古箏正前上方及偏右的位置，0°≤θ≤60°，45°≤φ≤90°；第二個(gè)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(jí)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(jí)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(jì)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(píng)測結(jié)果進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，得到彈撥樂器單音的聽感諧和性評(píng)價(jià)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(gè)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(diǎn).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(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出古箏諧和性指向區(qū)域主要分布在3個(gè)方向： 第一個(gè)是在樂器正前上方，67.5°≤φ≤90°；第二個(gè)方向在樂器左側(cè)位置，-120°≤θ≤-50°，-22.5°≤φ≤22.5°；第三個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證

采用主觀評(píng)價(jià)來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性.實(shí)驗(yàn)信號(hào)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(jí)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(gè)差異較大的傳聲器位置進(jìn)行主觀評(píng)價(jià).實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)信號(hào)的輻射聲壓級(jí)以及諧和性特性.實(shí)驗(yàn)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(yàn).重放設(shè)備為監(jiān)聽耳機(jī)AKG K271 MkⅡ，監(jiān)聽聲壓級(jí)為75dBA.通過重測信度檢驗(yàn)，剔除了2個(gè)無效數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示.

圖6 單音及旋律信號(hào)在不同麥克風(fēng)位置的驗(yàn)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(jì)算的結(jié)果與主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行相關(guān)性分析.從圖中結(jié)果可以看出，主觀評(píng)價(jià)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(jí)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(gè)方向整體的輻射特性.結(jié)合古箏聲壓級(jí)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(jí)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(gè)： 一個(gè)是位于樂器的正前上方及上方偏右的位置；另一個(gè)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(diǎn)在于低頻過重.因此，在今后對古箏進(jìn)行拾音時(shí)，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(shí)的音質(zhì).

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