音乐声学

    音乐声学是研究乐音和乐律的物理问题的科学。

    对乐器和人的发音原理的研究是从激励器、共鸣器、辐射器三大部件来入手,以求得最高的发音效率和优美的音色。简单的响器,其激励、共鸣、辐射合为一体,如锣;电子合成乐器则用电路来模仿激励器和共鸣器,辐射器就是扬声器。

    音乐家以音强、音高、音色(或称为音品)作为乐音三大要素,客观上决定任一声音的物理参量是声压、时程和频谱。对乐音而言,声压决定它的强度或响度感觉,频谱决定它的音色。音高在声学上称为音调,由频谱中的基音频率决定。若基音消失,音调的感觉不变,由谐音系列的结构决定。用激光法得到的小提琴全息振动模式图

    乐音一般不是稳定持续的周期信号,其时程可分为增长、稳定、衰减三个段落。不同类型的乐音,三个段落的时间不同。例如弹弦音和拨弦音的增长段比拉弦音的短促得多,并且几乎没有稳定段。在增长和衰减段,乐音的频谱与稳定段可以有显著的不同。因此,乐音的音色与时程的关系很大。对乐器的每个部件,都可以分析上述参量,以总结出音质优美的乐器的最佳声学条件。

    例如,世界公认最佳的意大利斯特拉迪瓦里小提琴,其物理参量有哪些特色,现在已有了深入的研究。又如研究共鸣良好的歌声,发现其频谱中2.5~3kHz附近有一特殊的共振峰等。此外,各部件之间的耦合对于达到最佳声学条件也很重要。充分了解各部件的振动原理和它们之间的耦合,乐器的制作和研究才有科学根据。

    除上述参量外,单件乐器和管弦乐队的声压动态范围、频率范围和长期平均频谱是指导录声(即录音)、调音、重放,使之达到最好听感的基本参量,也属音乐声学的范畴。

    对乐音和乐律的研究主要是音调与频率的关系,音程和音阶的频率划分,音程的协和性等。中国早在周代即已广泛通行了琴、瑟一类乐器。在摸索音调与弦长的关系之时逐步创造出一种“钟律”,其中包括著名的“三分损益法”。这种生律法在春秋时期已经用来调钟。这个乐律是世界上最早的自然律。这是中国古人对音乐声学的重大贡献,比传说的毕达哥拉斯(公元前500年)生律法早得多。被誉为世界第八奇迹的曾侯乙编钟

    曾侯乙墓出土的战国初年编钟,证明中国非但最早在律制上有科学的发明,而且最早确定了调音的基准频率,掌握了乐器的调音技术。甚至更早在商周时代即已创造出一钟二音(一个钟能发出两个基音),这是音乐史上的奇迹。

    除律制外,中国古代对泛音系列的发现和在乐器演奏时的应用,管乐器音调的管口校正法,簧、管耦合的原理和控制技术等方面都有重要贡献。

    任何声音在产生出来之后,接着是传输(包括录制和重放)和接收的问题。乐音的传输是电声学和厅堂声学的内容。乐音的接收,须计及人的心理感受亦即主观评价,这是心理声学的一部分。它们虽不属于音乐声学范围,但却与音乐声学紧密相联,至关重要。录制或重放设备或技术的缺陷,往往会破坏优美动听的音乐节目的色彩;一件原来不够完善的乐器,其声音效果也可通过调音在一定程度上来补救。

    欣赏音乐时,环境的声学条件也可能造成乐音的失真。至于人对乐音的心理感受,则除了响度与声压级的关系、音调与频率的关系、掩蔽效应、声像定位效应等人类的共性之外,还与人的爱好及音乐素养有关。讨论研究音乐声学须涉及这些相关的学科。