摘要:本文采用实验分析的方法对琵琶演奏时的“弹”进行分析,提取了26个音的时长、能量、频谱的声学参数,结果显示:1)倍高音、高音、中音、低音、倍低音的时长依次增加;2)整体能量衰减速度减慢,并提出周期型、弧线形、直线型三种能量的衰减模式;3)对频谱进行研究,并分析出琵琶的谐波振动周期性模式。本文首次将实验语音学研究方法引入琵琶的研究中,为琵琶演奏和教学提供理论依据。
　　关键字:琵琶;乐器声学;能量;时长;频谱

　　一、引言
　　“声学是音乐声学的根基,也是中国古代科学中最为发达的学科之一。宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》中首先使用‘声学’一词,而有关音乐声学的理论则散见于经、史、子、集之中,历代史书中的‘律历制’或‘音乐制’,其中关于律学、乐器制造、音乐演奏和演唱技巧等的记述也多涉及音乐声学范畴”。[1]戴念祖(中国物理史的专家),在他的《中国声学史》(1994)中系统地叙述了音乐对于声学发展的重要性。
　　中国古代音乐声学的研究中注重乐律的理论研究。早在春秋战国时代,中国已出现了成熟的乐律计算理论和乐器调音工具,可视为中国早期音乐声学的诞生。十九世纪下半叶,随着西方声学理论著作的传入,中国的音乐声学开始融入具有现代科学意义的研究成分。在1893年出版的《声学揭要》一书中,除介绍了声学基本原理外还论及乐音和乐器发声原理等内容。当代也有一些论著,对音乐声学产生了影响,系统地介绍了现代音乐声学的发展历程。龚镇雄的《音乐声学—音响、乐器、计算机音乐、Mml、音乐厅声学原理及应用》(1995)是一本全新结构的音乐声学专著。另外,韩宝强的专著《音的历程—现代音乐声学导论》(2003),唐林等著《音乐物理学导论》(1991)、朱起东著《音乐声学基础》(1988)、胡泽著《音乐声学》(2003)等都是针对音乐声学研究做出了相关的研究。[2]
　　乐器声学是音乐声学的一种,本文对乐器中的琵琶进行分析,以琵琶中的简单指法“弹”作为研究对象,提取时长、能量等声学参数,进行分析总结,通过对频谱的分析,研究琵琶演奏时的振动方式。琵琶声学分析的研究为音乐学研究提供客观数据,同时为乐器演奏和教学提供了理论依据。
　　二、琵琶的简介及发音特色
　　1.琵琶的简介
　　琵琶已经有二千多年的历史,最早被称为“琵琶”的乐器大约在中国秦朝时期出现的。“琵琶”这个名称来自所谓“推手为枇,引手为杷”所以名为“枇杷”(琵琶)。琵琶被称为“民乐之王”,其音域广阔、表现力丰富。　　
　　图1 琵琶的构造图
　　琵琶音箱呈半梨形,四弦,颈与面板上设有用以确定音位的“相”和“品”。经历了几代演奏者的改进,至今形制已经趋于统一,成为六相二十四品的四弦琵琶。[3]
　　2.琵琶的发音特色
　　琵琶发声十分特殊,它的泛音不但音量大,而且音质清脆明亮。同时,琵琶发出的基音中又伴有丰富的泛音,这种泛音能使琴声在传播中衰减,具有较强的穿透力。琵琶之所以发音响亮,是因为琵琶的面板和背面之间有一个共鸣箱的存在,并在复手下方有一出音孔。当用手拨动琴弦时,琵琶的音响发生有以下的规律:弦的振动——复手的振动——面板的振动,从出音孔中最终把音发出来。[4]
　　用手指拨弦时,弦的振动如果能够最大限度地使复手和面板与共鸣箱产生共振,其发出的音无疑是饱满、浑厚的。可以这样认为,由弦带动复手和面板的振动是由演奏者的手指拨动琴弦决定的。手指不触弦,复手、面板自然不会振动,当然也就不会发出音响,手指触弦的角度、方向,决定着复手、面板振幅的大小及弦的振动声波的改变,因而产生音色上的变化。
　　下图为琵琶的琴体声谱图[5]　　
　　 图2 琴体的声谱图
　　三、弹的声学分析
　　弹是琵琶中较为重要的指法,用右手食指指甲端(一般用与拇指相邻侧的指甲端)触弦,将弦向左弹出发音。
　　本文研究所使用的为六相二十四品的琵琶,音色反应灵敏。琵琶的音域广,近四个八度,从四弦到一弦,从相到品,音从倍低音到低音、中音、高音、倍高音依次增高。高音区域坚实清脆。最高音区紧张,尖锐;中音区柔和,明亮;低音区低沉,有弹性。本文采用Praat语音分析软件对时长、能量以及频谱进行三方面分析。录音内容包括倍高音(小字三组)3个、高音(小字二组)7个、中音(小字一组)7个、低音(小字组)7个、倍低音(大字组)2个,共26个音。
　　1.时长分析
　　人耳可听声音频率范围:20Hz～20000Hz,即空气每秒振动的次数在20次到20000次人耳能听到。本文以此作为能量统一的规范,对时间进行归一化处理,将琵琶弹指法的26个音分别进行了时长计算,并进行曲线拟合,如下图所示:　　
　　图3 弹的各音的时长
　　其中横坐标从倍低音到倍高音各个类型的音,纵坐标为各类型音的时长。由上图可以看出高音的发音时尖锐,弦紧张,因此振动频率快,时长短。而低音发音时低沉、浑厚,振动频率较慢,因此时长较长。从倍高音到高音、中音、低音再到倍低音,时长逐渐增长。
　　2.能量分析
　　对琵琶弹指法的26个音提取能量参数,对琵琶进行能量衰减模式以及能量变化模式的分析。从而分析琵琶的振动模式,对今后的研究奠定基础。
　　(1)衰减模式
　　采用MATLAB中的ployfit命令对弹指法的26个音的能量值进行拟合,求出各个音的能量曲线的斜率,从而反映能量的衰减的速度。如图4所示。　　
　　图4 能量衰减斜率图
　　一般来说,高频的能量衰减较快,低频能量衰减慢,由上图中可以看出,琵琶的衰减模式遵循了一般的规律。图中的斜率按照从高到低的顺序排列,斜率值依次减低,曲线呈下降模式。倍高音re的斜率最高,能量的衰减速度最快;倍低音so的衰减速度较慢;其他音的斜率衰减速度介于re和so之间。
(2)能量变化模式
　　文章对26个音的能量数据进行统计分析,提出了琵琶的三种能量变化模式,反映了弦乐琵琶的谐波在衰减过程中的变化形态。
　　
　　(a)周期性变化模式
　　
　　(b)弧线型变化模式
　　
　　(c)直线型变化模式
　　图5能量变化模式曲线
　　图5中的(a)、(b)、(c)分别为中音la(a1),低音re(d)和倍高音do(c3)的能量衰减时的变化模式曲线,分别代表了周期性变化模式、弧线型变化模式以及直线型变化模式。
　　琵琶的部分音周期性的能量变化模式反映出在能量衰减的过程中,谐波的变化规律是成周期性质的。直线型以及弧线型的能量变化模式说明谐波变化的非周期性。
　　3.频谱分析
　　文章采用praat软件以及演奏琵琶弹七省音阶的方法分析琵琶的声频谱。图6(a)给出了a弦的第三个把位的第一品音(c2)的语谱图。
　　
　　(a) c2的语谱图
　　
　　(b) c2在0.03s时的频谱图(c) c2在0.95s时的频谱图
　　图6高音do的频谱分析
　　图6(b)选择c2开始阶段时的频谱片段,此时第一、二、三等各谐波能量较高,最高位43db,平均在15db左右。图6(c)之所以选择0.95s时的频谱图,原因在于,此时的共振峰发生变化,即谐波发生变化,从频谱图中可以看出,第一、二谐波能量较高,在20db左右,第三谐波的为-21db左右,之后的各谐波能量相对较弱。
　　3.4小结
　　表1给出了弹指法的26个音的声学参数,包括时长参数、基频参数、能量参数等。
　　表1 声学参数表
　　
　　由上表可以看出:1)琵琶的时长与音高低成反比,音越高,琵琶的弦越紧,振动频率快,时长越短,反之越长;2)能量斜率值随着音阶的依次升高而增加;3)琵琶的基频与音高成正比,音越高,基频值越大。
　　四、结束语
　　本文采用了praat语音分析软件提取了琵琶弹指法中的26个音的时长参数、能量参数以及频谱,对琵琶乐器进行了声学分析。对弦乐器的能量衰减的变化模式给出分析,将能量的变化模式分为周期性变化模式、弧线型变化模式以及直线型的变化模式,能量的变化模式反应了琵琶振动时的谐波变化方式。同时,通过频谱的研究初步分析了琵琶的谐波振动模式。但本文所做出的研究是初步的,在今后的研究当中,琵琶的频谱分析以及能量的变化模式还需要深入研究,为分析琵琶等弦乐器的振动模式研究奠定一定的基础。另外,乐器声学的研究也为乐器设计与制造提供理论和标准,为音乐学研究提供客观数据以及乐器演奏和教学提供理论依据。
　　
　　参考文献:
　　[1]韩宝强.我国近代音乐声学研究概览[J].黄钟(武汉音乐学院学报),2002,第一期,p70-72.
　　[2]庄元.当代中国音乐声学研究述要[J].中国音乐学,2005,第二期,p114-116.
　　[3]庄永平.琵琶手册[M].上海音乐出版社,2001.
　　[4]刘石.琵琶的噪音分析[J],《艺范》音乐版(季刊)1996.1,p56-58.
　　[5]陈通,郑敏华,蔡秀兰.琵琶的声学特性[J].中国科学院声学研究所,1995.p60-62.