中國民族樂器琴弦品質(zhì)測(cè)量方法研究

朱嘉星 劉瑩

摘要：琴弦作為弦鳴樂器的激勵(lì)體，是弦樂器發(fā)聲的重要部件之一。長久以來，國內(nèi)對(duì)于琴弦的制作工藝與整體品質(zhì)關(guān)注較低，并未形成較為系統(tǒng)的琴弦品質(zhì)檢測(cè)體系，直接導(dǎo)致我國民族樂器用弦品質(zhì)存在一定的問題。本文使用訪談的方式，對(duì)我國民族琴弦的特性及存在問題進(jìn)行了調(diào)研，并針對(duì)調(diào)研結(jié)果提出具體的琴弦品質(zhì)測(cè)量維度以及相對(duì)應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)，進(jìn)而提出一套切實(shí)可行的琴弦品質(zhì)測(cè)量體系，為琴弦的品質(zhì)測(cè)量研究提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：琴弦? 品質(zhì)? 測(cè)量? 振動(dòng)

中圖分類號(hào)：J605? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??文章編號(hào)：1008-3359（2021）06-0001-03

在我國的民族樂器中，弦樂器占有極大的比例。但是長期以來，我國民樂的琴弦品質(zhì)一直多被詬病。這一方面與我國民族弦樂器中使用的琴弦材質(zhì)種類多樣有關(guān)，許多材質(zhì)無法做到很好的標(biāo)準(zhǔn)化制作，如在我國傳統(tǒng)樂器中廣泛使用的絲弦、內(nèi)蒙地區(qū)使用的馬尾弦、新疆地區(qū)使用的羊腸弦等，都很難做到標(biāo)準(zhǔn)化制作。另一方面，我國當(dāng)前針對(duì)琴弦品質(zhì)的檢測(cè)方法還不完善，如在2010年頒布的中華人民共和國輕工業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 1817-2010《琴弦通用技術(shù)條件》中，對(duì)于琴弦的品質(zhì)檢測(cè)主要以物理性能為主，其中包括張力、延展率和最低不斷裂音高，而其他方面則是以感官檢測(cè)為主，沒有形成較為細(xì)致的檢測(cè)方式。

隨著我國國內(nèi)民樂市場的不斷擴(kuò)大以及國人對(duì)于民族樂器音質(zhì)追求的提升，學(xué)界對(duì)民族樂器琴弦的研究也開始逐步增多。當(dāng)前我國關(guān)于民族樂器琴弦的研究大體可以分為三個(gè)方面：首先是對(duì)于琴弦振動(dòng)的原理研究，如楊健在其《走進(jìn)琴弦的世界-談近三千年來人類對(duì)琴弦的研究及引發(fā)的思考》中對(duì)不同時(shí)期人們對(duì)琴弦的研究進(jìn)行了總結(jié);而蔡振家在其《具有非線性邊界條件的琴弦振動(dòng)：京胡“開花音”的聲學(xué)研究》中從聲學(xué)角度入手，使用非線性邊界的概念，對(duì)京胡中的開花音進(jìn)行了聲學(xué)闡釋。其次，近些年對(duì)琴弦的測(cè)量與音質(zhì)研究也逐步出現(xiàn);如楊帆在《古琴的琴弦物理性能測(cè)量和對(duì)不同材質(zhì)古琴琴弦音質(zhì)的分析與探討》一文中，分別對(duì)琴弦的測(cè)量方法和不同琴弦的音質(zhì)進(jìn)行了研究。張承忠則使用高速攝影的方式，對(duì)琴弦的三維振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。此外在琴弦的工藝方面，張娜在其《琴弦制作的規(guī)程與工藝探討》一文中對(duì)琴弦制作的常用工藝和規(guī)則進(jìn)行了介紹。

從上述研究可以看出，目前還沒有可以全面評(píng)價(jià)我國民族樂器琴弦品質(zhì)的測(cè)量體系的成果。在本文的研究中，筆者將通過調(diào)研的方式，對(duì)我國民族樂器琴弦的特點(diǎn)和存在的問題進(jìn)行調(diào)查，并嘗試找出可以全面評(píng)價(jià)琴弦品質(zhì)的不同維度，并提出與之相對(duì)應(yīng)的測(cè)量參數(shù)，進(jìn)而逐步完成琴弦品質(zhì)的測(cè)量體系。

一、琴弦品質(zhì)評(píng)價(jià)維度及參數(shù)

為了更為全面的對(duì)琴弦品質(zhì)進(jìn)行描述，筆者在研究初期開展了調(diào)研工作，調(diào)研方式以訪談為主，訪談的對(duì)象主要是針對(duì)民族弦樂器的演奏者和弦樂器制作者，目的在于盡可能多收集在琴弦演奏和制作過程中影響琴弦品質(zhì)的不同因素，最終的訪談提綱如下：

首先，您覺得您接觸過的不同品質(zhì)的琴弦間的差異大嗎？如果差異大的話，具體表現(xiàn)在那些方面。

其次，請(qǐng)盡可能多的描述不同琴弦的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

最后，您覺得民族樂器琴弦和西方管弦樂隊(duì)樂器琴弦間的差異體現(xiàn)在哪些方面？

調(diào)研工作共采集了18名長期從事弦樂器演奏的演奏者和3名琴弦制作人員，對(duì)所有搜集的結(jié)果進(jìn)行匯總和總結(jié)。其中出現(xiàn)頻率較高，對(duì)琴弦品質(zhì)影響較大的方面有，琴弦斷裂、音高不穩(wěn)、跑音、不好調(diào)弦、聲音純凈、聲音溫暖、聲音豐滿、聲音明亮、手感硬、手感粗糙等，進(jìn)一步分析和總結(jié)可以將以上影響琴弦品質(zhì)的因素大體上歸納為琴弦質(zhì)量、琴弦聲音以及琴弦觸感等三個(gè)方面。

（一）質(zhì)量方面

在調(diào)研中，與琴弦質(zhì)量相關(guān)的條目主要體現(xiàn)在琴弦斷裂、跑音、調(diào)不到指定音高、不好調(diào)弦等問題。

首先，斷裂：在調(diào)研中可以發(fā)現(xiàn)，“琵琶子弦容易折”“古琴絲弦容易斷”等評(píng)價(jià)大量出現(xiàn)。琴弦的斷裂即琴弦可以承受住的最大拉力，是評(píng)價(jià)琴弦質(zhì)量的基本要素。在材料學(xué)中，往往使用抗拉強(qiáng)度σ這一參數(shù)來評(píng)價(jià)材料在拉斷前承受的最大應(yīng)力值，計(jì)算公式為：

其中T為拉斷時(shí)的力，s為材料的橫截面積。

其次，音高穩(wěn)定性問題：在調(diào)研中集中反映在“好的琴弦在調(diào)好音之后，一段時(shí)間內(nèi)音高不會(huì)有太大的變化”“琴弦在演奏之后會(huì)跑音”等評(píng)價(jià)。所謂的跑音、不好調(diào)弦等問題可以總結(jié)為琴弦的穩(wěn)定性問題。根據(jù)弦振動(dòng)公式，其產(chǎn)生的頻率應(yīng)符合以下公式：

其中N為所需計(jì)算的不同諧音數(shù)，L是弦長，T是拉力，p是琴弦的密度（粗細(xì)）。

在實(shí)際樂器使用中，大部分樂器有效弦長為定值。在拉力一定的情況下，琴弦的穩(wěn)定性直接反應(yīng)在琴弦的粗細(xì)程度上。即，琴弦在受到一定拉力和沖擊后，材料發(fā)生的粗細(xì)變化。想要確定琴弦的音高穩(wěn)定性，可以使用疲勞測(cè)試的方式，對(duì)琴弦進(jìn)行定時(shí)定量的拉伸和沖擊，測(cè)量其前后的直徑變化差值。

（二）聲音方面

在調(diào)研中，與聲音相關(guān)的因素主要體現(xiàn)在有雜音、音色不飽滿、聲音干癟、聲音柔和，余音長等。

首先，純凈度：在針對(duì)于琴弦聲音調(diào)研的評(píng)價(jià)中，有雜音、聲音不純凈、有拍音等問題都可以歸納為琴弦的純凈度問題。

通過前文的琴弦音高公式可知，均勻琴弦的頻率與其長度、拉力以及粗細(xì)有關(guān)。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，琴弦無法做到完全均勻，因此琴弦的粗細(xì)不均勻?qū)е略谡駝?dòng)的過程中存在著不同的頻率成分，最終導(dǎo)致雜音的出現(xiàn)。所以，一根琴弦的均勻程度可以在一定程度上代表其聲音的純凈程度。琴弦的均勻程度可以使用琴弦不同位置直徑的均方根值評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

其中xi為不同位置的直徑值。

其次，音色方面：作為琴弦發(fā)聲的重要部分之一，琴弦對(duì)樂器最終的音質(zhì)有著極為重要的影響，這也是在當(dāng)前調(diào)研中民族樂器爭議較為嚴(yán)重的部分。在調(diào)研中提及該方面的評(píng)價(jià)有：“好的琴弦出來的聲音飽滿”“鋼絲弦的聲音聽起來比較亮，尼龍弦聲音比較溫暖”“絲弦的聲音比鋼絲弦更為飽滿”等。在聲學(xué)音質(zhì)評(píng)價(jià)中，上述的評(píng)價(jià)詞分別代表與聲音頻率和聲音時(shí)域相關(guān)的特征。其中聲音不飽滿、聲音干癟、聲音亮、聲音溫暖等與頻域特征有關(guān)，余音長、聲音柔和等與時(shí)域特征有關(guān)。

在聲品質(zhì)評(píng)價(jià)中，明亮度、溫暖度分別與聲音的高頻與低頻能量相關(guān)，聲音飽滿與干癟則與高頻、中頻、低頻間的平衡性有關(guān)。因此，如果借鑒聲品質(zhì)中的定義，琴弦的評(píng)價(jià)音質(zhì)同樣可以使用類似的方式進(jìn)行定義和測(cè)量，即使用不同頻段能量的分布情況進(jìn)行測(cè)量。以明亮度為例，聲音的明亮度可以用頻譜質(zhì)心（Spectral centroid）來描述，頻譜質(zhì)心是信號(hào)頻譜上的中心：

其中 k表示頻率下標(biāo)，S_i（k）表示第i幀信號(hào)的FFT在下標(biāo) k 處的幅度值。頻譜質(zhì)心較大時(shí)，說明該頻譜中高頻成分相對(duì)較多。頻譜質(zhì)心較小時(shí)，就說明該頻譜中低頻成分相對(duì)較多。

同時(shí)評(píng)價(jià)中的余音長、聲音柔和等方面與琴弦振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特性有關(guān)，不同材質(zhì)和工藝的琴弦往往有著不同的起振衰減特性，這也就直接導(dǎo)致了不同材質(zhì)琴弦最終聲音上的差異。如尼龍材質(zhì)弦的第一諧音較強(qiáng)，但是其他諧音能量較弱，而絲弦的第一諧音能量很低，但是二三號(hào)諧音的能量很高，同時(shí)絲弦的起振和衰減時(shí)間要比尼龍弦更長，因此普遍主觀聽感上認(rèn)為尼龍弦的聲音更加飽滿，絲弦的聲音更加柔和。如果想對(duì)琴弦最后聲音的起振和衰減進(jìn)行描述，就需要對(duì)信號(hào)時(shí)域特性進(jìn)行分析。如果想對(duì)琴弦的時(shí)域信息進(jìn)行整體的描述，可以使用上升時(shí)間和下降時(shí)間來判斷琴弦的起振和衰減速度，其定義如下：信號(hào)從最大值的90%變化到10%所需的時(shí)間。公式如下：

其中? ? ? ? ? ? 即信號(hào)起振（衰減）到最大值90%的時(shí)間，? ? ? ? ? ? ?即信號(hào)起振（衰減）到最大值10%的時(shí)間。

（三）觸感方面

與一般的品質(zhì)檢測(cè)不同，琴弦的品質(zhì)測(cè)量除了正常的質(zhì)量和音質(zhì)外，觸感也是極為重要的一個(gè)方面。在訪談的結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，許多演奏者對(duì)于琴弦的觸感極為重視，其中搜集的評(píng)價(jià)主要有手感粗糙、手感有彈性、手感硬等三個(gè)方面。琴弦的觸感與琴弦制作所使用的材料有著極為重要的關(guān)系，不同材質(zhì)的各項(xiàng)物理性能差異顯著。但是拋開材質(zhì)自身所帶來的差別，琴弦的制作工藝同樣會(huì)對(duì)琴弦的觸感產(chǎn)生很大影響，如鋼絲弦在拉絲過程中如果處理不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生粗細(xì)不均勻，造成手感粗糙等問題。纏弦在制作過程中，如果工藝不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致外層纏弦分布不均勻，也會(huì)同樣出現(xiàn)手感粗糙的問題。在傳統(tǒng)絲弦制作過程中有一道工藝是煮弦，在煮弦的過程中要加膠，其目的是讓膠填補(bǔ)絲弦間的縫隙，使其成為整體，在一定程度上也達(dá)到了優(yōu)化絲弦手感的效果。

因此如果想要全方位對(duì)琴弦品質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，彈性、粗糙度和硬度同樣需要進(jìn)行量化測(cè)量。通過調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，日常中所說的琴弦粗糙度可以使用摩擦系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià);而硬度則一般形容人手在按壓過程中琴弦自身產(chǎn)生的形變，在有指板、有品樂器（如吉他、阮）的琴弦評(píng)價(jià)中出現(xiàn)較多，其硬度值可以使用布氏硬度進(jìn)行評(píng)價(jià)。琴弦彈性主要指琴弦在按壓過程中對(duì)于人手產(chǎn)生的反饋力度，在胡琴類等無指板樂器的琴弦評(píng)價(jià)中出現(xiàn)較多?？梢允褂脧椥韵禂?shù)來評(píng)價(jià);在本研究中，琴弦的彈性系數(shù)選擇橫向彈性系數(shù)來評(píng)價(jià)，即使用測(cè)力計(jì)對(duì)琴弦施加固定大小的載荷，并測(cè)量琴弦偏移的距離，以測(cè)量琴弦的彈性系數(shù)（K），計(jì)算的公式如下：

其中T為對(duì)琴弦施加的載荷大小，L為琴弦偏移的距離。

二、琴弦品質(zhì)測(cè)試方法

通過影響琴弦品質(zhì)的評(píng)價(jià)維度和參數(shù)進(jìn)行研究，可以將琴弦的品質(zhì)總結(jié)為質(zhì)量、聲音、觸感等三個(gè)方面。本研究分別使用抗拉強(qiáng)度、直徑均勻度、頻譜質(zhì)心、上升時(shí)間、下降時(shí)間、彈性系數(shù)、摩擦系數(shù)以及布氏硬度進(jìn)行量化。以上述參數(shù)為基礎(chǔ)，琴弦的品質(zhì)測(cè)量流程如下（圖1）：

1.記錄測(cè)試當(dāng)天的溫度、濕度等信息。

2.張弦：將弦兩端固定牢固，按照琴弦實(shí)際用途確定琴弦的有限弦長，并將弦調(diào)制準(zhǔn)確的演奏音高。

3.使用螺旋測(cè)微器測(cè)量琴弦各部分的直徑，可以得到琴弦的平均直徑以及均勻度。

4.對(duì)琴弦的彈性系數(shù)、摩擦系數(shù)和硬度進(jìn)行測(cè)量。

5.使用加速度傳感器對(duì)琴弦的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集（包括橫振動(dòng)與縱振動(dòng)），可以采用撥動(dòng)琴弦的方式，為了確保數(shù)據(jù)重復(fù)可靠，可以使用激發(fā)器來激發(fā)。使用采集得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析，提取頻譜質(zhì)心和上升、下降時(shí)間。

6.對(duì)琴弦進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，疲勞實(shí)驗(yàn)每進(jìn)行12小時(shí)后，重復(fù)步驟3—5，共重復(fù)3次。對(duì)比重復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)間的差異，得到琴弦的物理性質(zhì)的變化速率。

圖1? 琴弦品質(zhì)測(cè)量流程圖

三、結(jié)語

在本文的研究中，筆者首先使用訪談的方式對(duì)我國民族樂器琴弦的品質(zhì)影響因素進(jìn)行調(diào)研，共收集到了琴弦斷裂、音高穩(wěn)定性、純凈度、溫暖度、豐滿度、明亮度、手感硬、手感粗糙等一系列影響因素，通過分析和總結(jié)，將所有影響因素總結(jié)為質(zhì)量因素、聲音因素和觸感因素三個(gè)方面。其次對(duì)調(diào)研中得到的不同影響因素進(jìn)行分析與解讀，并嘗試找出對(duì)應(yīng)物理量及測(cè)量參數(shù)。在本研究中共使用抗拉強(qiáng)度、直徑均勻度、頻譜質(zhì)心、上升時(shí)間、下降時(shí)間、彈性系數(shù)、摩擦系數(shù)以及布氏硬度等8個(gè)參數(shù)對(duì)琴弦的質(zhì)量、聲音和觸感進(jìn)行全面的描述，基本涵蓋了當(dāng)前描述琴弦品質(zhì)的所有方面。但是目前針對(duì)琴弦聲音的測(cè)量指標(biāo)還不夠完善，在后續(xù)的研究中，應(yīng)該進(jìn)一步細(xì)化相關(guān)的測(cè)量參數(shù)，進(jìn)而更加細(xì)致地對(duì)琴弦聲品質(zhì)進(jìn)行研究。

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