鋼琴噪聲衰減的實驗研究

1關(guān)于不諧和諧波隨著helmhol提出波幅和等級制度是影響聲音質(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個很特殊的諧波。因為它們是鋼琴聲音前10個諧波中僅有的2個不諧和諧波，所以研究其對音質(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)的擊弦點幾乎同樣都是在弦長的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為弦長的1/7和1/9。從這些經(jīng)驗觀點和琴弦振動理論來看，選擇擊弦點的目的是為抑制某個不諧和諧波。而在鋼琴的實際生產(chǎn)中，為達(dá)到這個目的，往往以犧牲別的諧和諧波作為代價。比如考慮到鋼琴弦槌的寬度，很多鋼琴琴鍵的擊弦點選在弦長的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)是否會得到改善？筆者將從主觀心理聽覺特性實驗驗證的角度出發(fā)研究一問題。2諧波對音色的影響筆者的研究以多媒體計算機(jī)作為工具，運用一些聲學(xué)軟件，對鋼琴聲音進(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)，由專業(yè)調(diào)音師進(jìn)行音質(zhì)評價，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)過聲卡將模擬信號數(shù)字化處理后直接存入計算機(jī)保存。錄音在半消聲室進(jìn)行，為接近自由聲場，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。傳聲器是無指向性的，安置在距鋼琴后面1m，離地面1m處。(2）計算機(jī)軟件對數(shù)字信號進(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的對幅度譜中第七、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在計算機(jī)上，請專業(yè)人士（鋼琴廠的專業(yè)調(diào)音師）進(jìn)行試聽驗證。2.1關(guān)于七、九次諧波的統(tǒng)計和分析根據(jù)上述的實驗條件和過程，逐一對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）為例說明實驗過程和結(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類似，由于分貝尺度是經(jīng)過實際聲壓的對數(shù)變換過來的，所以變?yōu)閷嶋H的聲壓幅度，就相當(dāng)于對第七、第九次諧波的實際聲壓幅度分別減少了30%和50%。這樣對鋼琴聲音進(jìn)行逐個處理，存儲在計算機(jī)里，然后進(jìn)行對比、驗證。根據(jù)主觀音質(zhì)評價的國際標(biāo)準(zhǔn)，需要多個專業(yè)人士的共同評比，然后取其統(tǒng)計平均。這次實驗共做了14組，即做了從A0鍵（第1鍵）開始每隔4鍵一直到#C5鍵（第53鍵）。因為在#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，所以高次諧波的分析處理就無法進(jìn)行；同時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覺特性的有效范圍，因此可省略對高音琴鍵的高次諧波的研究。用計算機(jī)重放處理過的聲音，請專業(yè)調(diào)音師來試聽判別。該實驗請了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一遍，聽的時候，沒有告知他們哪個是處理的，哪個是原始的，然后讓他們選出覺得比較好的聲音。統(tǒng)計結(jié)果時，因為有一位調(diào)音師是從諧波多寡方面來判別，還有一位調(diào)音師是從鋼琴聲音的尾音長短來考慮，所以略去不計；剩下的只是4位調(diào)音師的統(tǒng)計結(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）后的心理實驗結(jié)果。如只從表1中的單項數(shù)據(jù)看，并沒有哪個聲音占絕對優(yōu)勢。但仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，表中縱向數(shù)據(jù)的和有時候并不等于4，而總共是有4個人進(jìn)行實驗的，即該實驗人員認(rèn)為3個聲音沒有明顯的區(qū)別。但統(tǒng)計每種聲音對應(yīng)的所有鍵好評的人數(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)相對來說獲得了更多實驗人員的認(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統(tǒng)計，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)一步的實驗，對鋼琴聲音的第七和第九次諧波做了10～20dB的衰減，并請了7位調(diào)音師來試聽和驗證，結(jié)果有多位調(diào)音師反映，鋼琴音質(zhì)不但沒有得到很大的改善，對有些聲音來說，反而變得很單薄難聽了。所以，假如對第七第九次諧波衰減得太多，或完全把它們?nèi)サ舻脑?，可能會收到適得其反的效果。根據(jù)上述實驗的統(tǒng)計結(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鋼琴音質(zhì)的影響。在音樂領(lǐng)域中，經(jīng)常涉及的另一個問題是和聲的諧和性，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個諧和音的2個鍵的聲音資料，然后分別對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個三度和聲的錄音，對它們分別進(jìn)行七和九次諧波的3dB和6dB的衰減處理。(2）分別把2個鍵的原始錄音和3dB,6dB衰減處理后的聲音分別合成起來，這樣就相當(dāng)于在演奏當(dāng)中同時按下2個和弦音。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個鍵單獨的幅度譜疊加在一塊。這是由于2個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)果的驗證過程與上一節(jié)所述相同，是由幾個調(diào)音師來對它們分別打分。表2是實驗結(jié)果的統(tǒng)計。從表2中的數(shù)據(jù)來看，沒有哪一項占了絕對優(yōu)勢。但是從總數(shù)來看，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，與原始錄音沒有很大的區(qū)別。在6dB時的總數(shù)上的微弱優(yōu)勢，說明了在大三度和聲的情況下，對第七第九次諧波的衰減處理，確實可使音質(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驗驗證過程與大三度和聲一樣，這里不再詳述，表3是實驗結(jié)果。從表3中的數(shù)據(jù)來看，較難看出哪一項有絕對優(yōu)勢。但是從總數(shù)來看，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。所以，在五度和聲中，僅僅衰減第七第九次諧波的幅度，對鋼琴聲音音質(zhì)也有所改善。2.4九次諧波對音色的影響處理過程如上幾種情況一樣。抽樣對鋼琴聲音進(jìn)行處理完畢后，請專業(yè)調(diào)音師辨別。表4是實驗結(jié)果。從表4中的數(shù)據(jù)來看，較難直接看出哪項占絕對優(yōu)勢。但是從總數(shù)來看，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時鋼琴的音質(zhì)確實較好。由此看來實驗統(tǒng)計結(jié)果和前面幾種情況的討論類似。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：對第七和第九次諧波進(jìn)行衰減處理，無論對單鍵，雙鍵和聲或三鍵和弦，鋼琴聲音的音質(zhì)確實都有所改善。但如果將第七和第九次諧波衰減得太多的話，反