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音樂聲學是研究樂音和樂律的物理問題的科學。 對樂器和人的發音原理的研究是從激勵器、共鳴器、輻射器三大部件來入手,以求得最高的發音效率和優美的音色。簡單的響器,其激勵、共鳴、輻射合為一體,如鑼;電子合成樂器則用電路來模仿激勵器和共鳴器,輻射器就是揚聲器。

1 音樂聲學 -簡介

音樂聲學管弦樂隊
音樂家以音強、音高、音色(或稱為音品)作為樂音三大要素,客觀上決定任一聲音的物理參量是聲壓、時程和頻譜。對樂音而言,聲壓決定它的強度或響度感覺,頻譜決定它的音色。音高在聲學上稱為音調,由頻譜中的基音頻率決定。若基音消失,音調的感覺不變,由諧音系列的結構決定。   

樂音一般不是穩定持續的周期信號,其時程可分為增長、穩定、衰減三個段落。不同類型的樂音,三個段落的時間不同。例如彈弦音和撥弦音的增長段比拉弦音的短促得多,並且幾乎沒有穩定段。在增長和衰減段,樂音的頻譜與穩定段可以有顯著的不同。因此,樂音的音色與時程的關係很大。對樂器的每個部件,都可以分析上述參量,以總結出音質優美的樂器的最佳聲學條件。例如,世界公認最佳的義大利斯特拉迪瓦里小提琴,其物理參量有哪些特色,現在已有了深入的研究。又如研究共鳴良好的歌聲,發現其頻譜中2.5~3kHz附近有一特殊的共振峰等。此外,各部件之間的耦合對於達到最佳聲學條件也很重要。充分了解各部件的振動原理和它們之間的耦合,樂器的製作和研究才有科學根據。

除上述參量外,單件樂器和管弦樂隊的聲壓動態範圍、頻率範圍和長期平均頻譜是指導錄聲(即錄音)、調音、重放,使之達到最好聽感的基本參量,也屬音樂聲學的範疇。

2 音樂聲學 -研究內容

音樂聲學音樂與自然規律
音樂聲學包括如下幾個知識領域:
一般聲學
作為物理學的一個分支的一般聲學,是音樂聲學的基礎,它向人們提供有關的基礎知識:聲音作為物理現象的本質和本性是什麼,樂音與雜訊的區別何在,音高、音強和音色就其客觀存在而言是一些什麼樣的物理量。古代人對音質音色的認識帶有神秘感,只能藉助各種類比詞加以描述。用近代物理學方法進行分析的結果說明,每一種音色都是由許多不同頻率(音高)的振動疊加而成的複合振動狀態,可採用頻譜分析的方法對它們進行解剖式的科學描述。聲音通常是通過在空氣中的傳播而到達人耳的,因此空氣中的聲波就是一般聲學必須研究的對象,它在空氣中的傳播速度(聲速)、波長,遇到障礙物之後的反射、繞射,所形成的行波、駐波,不同頻率的聲能在空氣中自然消蝕的不同程度等等,在聲學中都已得到研究。共振現象是聲學中的重要研究課題,就能量傳導而言,可有固體、氣體、液體(內耳淋巴液)等不同的傳導途徑;就其強度與穩定程度,則涉及共振體的固有頻率問題,激發與應隨共振的兩物體頻率之間的整數比例關係問題,即與諧音列有關的諧振問題;這也是和諧感、音程協和性、律制生律法問題的一般物理學、數學基礎。半個世紀以來,電聲學已成為一般聲學中份量日益加重的組成部分,電鳴樂器的出現已使電磁振蕩成為聲源的一種,在日常生活中,音樂的保存、重放、傳播也都藉助於聲波與電波的相互轉化來實現,已使聲與電緊密地聯繫在一起。因此在成熟的工業社會裡,電聲學也是音樂聲學的基礎。

聽覺器官的聲學
研究人耳的構造屬於生理學、解剖學的範圍,但人耳何以能具有感受聲波的功能,卻還必須藉助聲學才能得到說明。況且由於聽覺神經網路的構造過於精細,難以用神經系統解剖學的方法來研究,只能主要通過聲學實驗來了解其功能。解剖學能提供的知識至今還是十分有限的。鼓膜是外耳與中耳的分界面,它將聽道中的空氣分子振動轉換為錘骨、砧骨、鐙骨這三塊聽小骨的固體振動;鐙骨底板所「踩」的卵形窗是中耳與內耳的分界面,它將固體振動又轉換為耳蝸內淋巴液的液體振動,後者引起幾千個微小器官里纖毛的共振,共振激起神經細胞的電脈衝。內耳的功能,它對聲音的音高、響度、音色的感受特性等有關知識,則是由生理聲學實驗所積累的。關於對音高的感受:人耳可聞音的頻率範圍,為分辨音高所需的最短時值,音高辨認的相對性、絕對性和近似性,對同時性、繼時性兩音相互間協和與不協和的分辨;關於對響度的感受:人耳可聞音的強度範圍,客觀強度與主觀響度之間的真數與對數關係(韋伯-費希納定律),對不同音區的音客觀上不同強度可能在主觀上感受為同樣響度(等響度曲線),同音持續與否對於響度感的影響,這些方面都積累了比較確鑿的數據。但是關於對音色的分辨能力,積累的資料還不多。據推測,外周聽覺神經具有分析功能,中樞神經的聽覺區則具有綜合功能;關於「主觀泛音」現象(強的純音會被感受為包含泛音在內),在解釋中則假定內耳微小器官的纖毛可能發生諧振(諧音共振)。至於內心聽覺與對節奏、音調、和弦的想象等能力的研究,由於更多與心理學交緣,尚未在音樂聲學中得到充分概括。

樂器聲學
是音樂聲學中歷史最悠久、內容最豐富、實用性最強的一部分。它從理論上闡明樂器的發音原理、結構與功能的關係,並對樂器進行科學分類;面向實踐則對樂器製作工藝學與樂器演奏技術提出指導性意見。樂器的不同結構成分從功能上可劃分為能源接納、聲源形成、共振、擴散等要素,而樂器分類則著眼於聲源的類型。聲源由固體振動構成的是一大類,其下又可細分為體鳴、膜鳴、弦鳴,后兩種依賴張力形成彈性振動的聲源;聲源由氣體振動構成的是又一大類,其下又可細分為單純氣鳴與有固體(簧片、嘴唇)振動配合參與的氣鳴兩種;聲源由電磁振蕩構成的是第三大類。但樂器製作注意的重點卻在共振,音質在很大程度上取決於共振的均勻性與諧振性,音量則取決於共振的充分性(又及時擴散)。為了達到更理想的聲源狀態與共振狀態,樂器製作在材料和形制上都須精心探尋(見樂器學)。音準問題是某些定音樂器必須關心的,但它還受制約於律制。樂器聲學對樂器演奏技術的指導作用,主要集中在能源介入與聲源形成這兩個環節的處理方法上,是音樂聲學中常被忽視的方面。這固然是由於各種樂器的演奏家未能從聲學的科學高度總結其演奏經驗,同時也由於音樂學家多缺乏聲學知識,在演奏評論中不善於從這一角度指出優劣。

嗓音聲學
人聲可以算作廣義的樂器之列,但它不同於一般樂器的主要特點有二:人類發聲器官的各個部件都是柔軟的肌肉韌帶,不同於一般樂器的剛性部件;控制這些肌肉韌帶的神經活動,不象支配手與唇舌肌腱的神經活動那樣隨意自由,而帶有很大程度的本能性與不隨意性;對這些肌腱狀態的自我感覺,也不那麼客觀清晰,而帶有很大的朦朧性與虛幻性。就其涉及人體器官的生理狀態而言,嗓音聲學也可歸屬廣義的生理聲學,但它與聽覺器官的生理聲學本質上不同,所研究的並非聲音感受過程中的,而是發聲過程中的生理聲學問題。仿照樂器聲學的分析方法,人類發聲器官亦可從能源、聲源、共振、擴散四個結構要素來討論。嗓音接納的能源來自內臟對肺內空氣的壓力,但造成壓力的運動部位並不在肺而當在下腹(丹田)。聲源是由聲帶(喉)的狀態形成的,但緊靠著它的共振腔是從聲帶到口腔、鼻腔末端之間的管道(咽),管道的一定口徑與長度使空氣分子得以充分參與共振,咽與喉的狀態配合是發聲器官良好工作狀態的核心。隨後,口腔內的空氣分子當然也參與共振,但這已服從於歌詞的母音、輔音的吐字,其功能已非旨在增大音量的共振,而是給咽喉傳來的音波附加特定母音、輔音所應具備的「頻譜共振峰」,隨即擴散,把聲波送到遠處。運用發聲器官的技巧必須包括而應加以訓練的方面很多,諸如:音域的伸展,真假聲的選擇互補,換聲區的平順過渡,氣息長短緩急的控制,音量強弱幅度的擴大與調節的靈活,音色的變化,吐字的清晰準確,音準節奏的掌握等等。古往今來各民族各地區的不同唱法與不同聲樂學派,各有獨特的運聲方法,積累了豐富的實踐經驗,但由於人聲器官構造的複雜性,作為一門音樂學學科的嗓音聲學至今尚在草創時期。

音律和諧的聲學

音樂聲學差音現象最早為G·塔爾蒂尼在1714年所發現
側重數理的聲學分支,為音階、調式、和諧理論提供物理學、數學依據。由於這一學科歷史悠久,有關律制的研究成果已形成律學這一專門學問;但律學還不能包括這一學科的全部內容,近代以來,在結合聽覺器官的聲學特性研究和諧問題的過程中,發現了不少有待解釋的現象,開闢了新的研究方向。不同音高的兩音波疊加,因互相干涉而形成時強時弱的周期性交替,當周期性的強音稀疏可數時,稱為「拍」,當其稠密不可分辨時,就在聽覺器官中融成第3個音,稱為差音」,其頻率是前兩音頻率之差,例如,前兩音為□、□,則差音為□。差音現象最早為義大利中音提琴家兼作曲家G·塔爾蒂尼在1714年所發現。差音之可被聽到,與聽覺的和諧感有關。關於聽覺對協和與不協和的分辨問題,19世紀後半葉德國生理學家兼物理學家H.黑爾姆霍爾茨(1821~1894)與音樂心理學家兼比較音樂學家C.施通普夫分別進行了實驗研究。前者認為,聽不到還是聽得到「拍」,是感覺協和與否的分界線。後者認為,感到還是感覺不到兩音融合為一,是協和與否的標誌。但是這兩種理論對於非同時性而是繼時發出的兩音之間協和與否的解釋都是無效的。並且由於聽覺對音高分辨的近似性(帶域特性),微微偏離協和關係仍可感覺為協和,例如平均律小六度和聲音程有明顯的「拍」,仍可感到協和;反之,由於使用條件的改變,協和的亦可變為不協和,例如大三度音程在調式中用作減四度音調時就令人感到不協和。這就涉及人工律音程在聽覺器官中向自然律音程轉化及其規律性問題。此外,關於泛音列與沉音列在和弦與調式形成中有無作用這一爭論了幾百年、對和聲學與調式理論具有根本指導意義的問題,也並非聽覺器官之外的物理學問題,必須結合聽覺生理聲學乃至與內心聽覺等有關的心理聲學這些特殊物理學領域的探討,才有希望找到答案。

室內聲學
對音樂在室內表演的聲學條件進行研究,是建築聲學與音樂學交緣的學科領域。建築聲學中有些問題(例如隔聲、抗震)是與音樂並無直接關係的,但有些問題則與音樂表演的音響效果關係密切,統稱室內聲學問題。室內聲學注意到如下問題:房室廳堂的幾何形狀,為了防止出現房間自身固有頻率對音樂音響的干擾歪曲,必須消除相對牆面之間、天花板地板之間平行的方向關係,消除可能造成聲灶的空穴、凹面;為了使聲波在室內多次往返反射又防止出現回聲,房間長寬比例不得過於懸殊,各個部分的吸音性能應當均勻,並在牆面上多設置擴散體;各個表面裝修吸音材料的目標是達到適度的混響時間,混響時間在各個頻率區應大體均勻(過高區可趨短),而其秒數(0.8~2.2)則取決於房間容積的大小以及所唱奏的音樂的風格類型。在結合使用電聲的條件下,以及為錄音工作創造良好室內音響條件的要求下,室內聲學設備已有不少新發展。

3 音樂聲學 -研究歷史

音樂聲學曾侯乙墓出土的戰國初年編鐘
對樂音和樂律的研究主要是音調與頻率的關係,音程和音階的頻率劃分,音程的協和性等。中國早在周代即已廣泛通行了琴、瑟一類樂器。在摸索音調與弦長的關係之時逐步創造出一種「鐘律」,其中包括著名的「三分損益法」。這種生律法在春秋時期已經用來調鍾。這個樂律是世界上最早的自然律。這是中國古人對音樂聲學的重大貢獻,比傳說的畢達哥拉斯(公元前500年)生律法早得多。

曾侯乙墓出土的戰國初年編鐘,證明中國非但最早在律制上有科學的發明,而且最早確定了調音的基準頻率,掌握了樂器的調音技術。甚至更早在商周時代即已創造出一鍾二音(一個鍾能發出兩個基音),這是音樂史上的奇迹。除律制外,中國古代對泛音系列的發現和在樂器演奏時的應用,管樂器音調的管口校正法,簧、管耦合的原理和控制技術等方面都有重要貢獻。

任何聲音在產生出來之後,接著是傳輸(包括錄製和重放)和接收的問題。樂音的傳輸是電聲學和廳堂聲學的內容。樂音的接收,須計及人的心理感受亦即主觀評價,這是心理聲學的一部分。它們雖不屬於音樂聲學範圍,但卻與音樂聲學緊密相聯,至關重要。錄製或重放設備或技術的缺陷,往往會破壞優美動聽的音樂節目的色彩;一件原來不夠完善的樂器,其聲音效果也可通過調音在一定程度上來補救。

4 音樂聲學 -作用

欣賞音樂時,環境的聲學條件也可能造成樂音的失真。至於人對樂音的心理感受,則除了響度與聲壓級的關係、音調與頻率的關係、掩蔽效應、聲像定位效應等人類的共性之外,還與人的愛好及音樂素養有關。討論研究音樂聲學須涉及這些相關的學科。

5 音樂聲學 -相關學科

次聲學、超聲學、電聲學、大氣聲學、語言聲學、建築聲學、生理聲學、生物聲學、水聲學、物理學、力學、熱學、光學、聲學、電磁學、核物理學、固體物理學。

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