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二胡發聲中噪音的科學探討
2008-02-29 03:46:00   来源:   评论:0 点击:

國立台南藝術學院民族音樂學研究所
課程:現代國樂
指導:陳如祁老師
事項:課堂作業
學生:萬國廷921012
date:2003/11/26




前言:

在上篇文章中提及二胡樂器的科學定性描述,本篇文章著重在
國立台南藝術學院民族音樂學研究所
課程:現代國樂
指導:陳如祁老師
事項:課堂作業
學生:萬國廷921012
date:2003/11/26




前言:

在上篇文章中提及二胡樂器的科學定性描述,本篇文章著重在樂器發聲上的探討。對樂器的靜態發聲定論後應再為樂器做實際發聲的探討,所以筆者此篇做論述二胡發聲中噪音的產生及解決探討的概述。

一、各種樂器在研究上的科學介紹:

樂器聲學研究雖視各個樂器的發聲原理而有所不同,但其中亦有些共通的方法。就旋律性樂器而言,必須把發聲部份與共鳴部份拆為不同的系統研究,再探討彼此的耦合,共鳴部份的物理特性通常由「輸入阻抗曲線」(input impedance curve)來敘述。管樂器的發聲部份可以是氣流噴在平面的邊緣並且被分為兩股,另一發聲方式為氣流通過平行薄片間的縫隙引起它的快速開合,笛屬於上述中前一類,單╱雙簧樂器、銅管樂器及人聲屬於上述中前後一類。管樂器的共鳴部份為管身內的空氣柱,以實驗測量它輸入阻抗的方法,是在吹嘴處放置正弦波聲源並以定速氣流吹入管身,測量管口的音量。而本篇的論述重點在絃樂器。弦樂器涉及的振動系統很多,以西方小提琴類樂器而言,計有弦、橋、正面琴板、共鳴箱內的空氣、背面琴板等。討論弦的振動要考慮演奏方式(拉弓速度及壓力、撥弦或擊弦位置),以及琴弦異於理想弦的物理特性(縱波、阻尼係數、楊式彈性係數);共鳴部份的輸入阻抗測量,則可以在橋施以微小的正弦振盪,測量該處的速度與加速度之比。

固有振動模式分析(mode analysis)致力於把系統的振盪分解為固有振動模

式的疊合,每個固有振動模式都以其固有頻率(eigenfrequency)及固有

形狀函數(eigenfunction)來敘述,這樣的分析在打擊樂器的聲學研究中居於中

心地位,而弦樂器的琴板振動也必須用到這個觀念,現今用雷射干射儀(Laser-

interferometer)作的固有振動模式分析,其在高頻測量的精密度遠勝從前。此

外,有限元件分析(finite element analysis)致力於將複雜系統拆為耦合的幾

個系統、無所不在的非線性現象(nonlinearity)深深左右著許多樂器的發聲,

以上這些都是樂器聲學進階理論裡最重要的幾個議題。最近研究中國樂器的方法以

此項為主(鄭德淵《二十一弦箏之聲學研究及其音樂之研究》。台北:學藝出版社。

就是利用此一先進儀器及理論對中國樂器—古箏來做研究)

另外,音樂家以音強、音高、音色(或稱?音品)作?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?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?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。

另一音樂中以穩定的、周期性的聲音現象為主,故研究的方式常以頻譜分析為主,與頻譜分析相對的是從時間角度作的分析,這兩種切入方式(frequency-domain / time-domain approach)各有所長,傳統的研究偏重於前者,但在非線性現象漸受重視後,諸如啟始鳴響與收束鳴響(starting and finishing transient)的研究,便必須以時間的角度對微分方程式或積分方程式求近似解。

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?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。

在實務上,有幾個觀念常用來描述各種樂器的聲學特性,例如樂器的初始鳴響、收束鳴響,以及發聲的方向性等。樂器聲學的另一個核心問題,則是演奏技巧的聲學探討。與演奏相關的還有樂器的製造與改良,像大提琴的狼音(wolf tone)現象困擾著演奏者,便是一個樂器製造者需要致力克服的問題。

二、二胡發聲原理中噪音的產生原理及解決方式:

以二胡來說就是弓擦弦的聲音,聲音的頻率視有效弦的長短而頻率就有所不同。另ㄧ個會產生主振的地方是在琴碼以下的地方,有另ㄧ個固定的振動為諧振,ㄧ般而言諧振是頻率是主振的1/2 1/4 1/8 或者是主振的1,2,4倍 因此在拉胡琴時產生的頻率不只ㄧ個倍數的振動,而是有好幾個倍數的振動,只是被主振蓋掉了,人聽不到,既使聽到了也是協調的。
第三個是共振,也就是說兩個不同的音源,在同ㄧ個頻率時,會產生最大的共振。而當這個共振大於主振時就會產生刺耳的聲音,這也是ㄧ般所謂狼音的產生。當琴馬以下的震動剛好跟琴弦的主振或諧振產生最大的共振時,狼音就出現了,除非你可以叫琴碼以下的弦不振動。以下提及二胡噪音(狼音)的產生:

(一)、在陳俞生『二胡狼音的產生原因及消除方法』文中有提及:

琴瑪下方琴弦振動波能量一部份傳到琴馬上方,由於此一振動波和琴馬上方的第五次諧波發聲衝突,這就是產生狼音的原因。而新琴的皮膜緊,聲波阻抗大,琴瑪下方琴弦振動波大部分傳到琴馬上方,對於琴馬上方弦的振動影響較大。就琴的皮膜鬆,聲波阻抗小,吸收琴瑪下方琴弦振動波,所以對於琴馬上方弦的振動影響較小。這也就是新琴比舊琴容易產生狼音的原因[F1] 。

 

(二)、另ㄧ個產生共振及諧振相衝突的地方(也就是產生狼音的地方)是蛇皮的因數。我們都知道拉二胡時越高把位,聲音越小,那是因為弦的頻率跟蛇皮的頻率共振越離越遠,導致無法產生樂器良好的共振。我們從以下這篇文章,鄭德淵《音樂的科學》中,可以做探討:


以二胡這項樂器作空皮基頻(不加弦、琴碼、墊布),及加物基頻(加弦、琴碼、墊布)測驗。可得知加物後蛇皮音高大約升高一個小二度到小三度之間(及#A—G)。而經測試,發現二胡皮膜之最佳振動基頻大約在440—460Hz之間。皮膜鬆他之二胡,其振動基頻低於上述之數值。蒙皮過緊或皮膜過薄,其振動基頻高於上述之數值,發音多呈現粗噪音社或趨向高胡音色之感覺[F2] 。

(三)、弦的影響:

1、弦本身的物理性質:

弦的粗細、拉線時的均勻度、弦上有無雜質、弦的混合密度…等,都因自召集使用的不同而有所影響。如以前所使用的絲弦,就會產生出較多的狼音現象,其原因在於弦的粗細不均勻,以及振動不完全。所以,以前的樂器製造者無法做出大型低音的絃樂器,其中一方面是在於無法克服弦的問題。現今科技的發達,弦的精密度以可克服弦的製作,但畢竟投入研究者少之又少,原因在於市場環境發展性不大。

2、弦使用的應力性質:

弦使用上的張力及有效弦長以及各段絃長的比較,由於各段張力的不同所

呈現的頻率也不同。在林昱廷老師的文章「南胡各段絃張力與共振頻率之探討」中提到:

琴碼到琴筒下緣這段琴弦,其振動頻率是造成二胡產生狼音及其他雜音的主要原因之一。利用拉力試驗機,在按照力學原理寄善出其他各段琴弦所承受的張力,在利用頻率公式計算出各段琴弦振動的頻率,所計算出36公分內弦琴碼到琴筒下緣這段琴弦的音分值最小,且發出的音最和諧。而39公分內弦琴碼到琴筒下緣這段琴弦的音分值最大,且發出的音屬不和諧[F3] 。

3、各種弦的介紹:

上海民族樂器廠的“敦煌”定制二胡琴弦和“百花”二胡弦。它們的質量可謂上乘。這兩種弦弦徑相對較粗(敦煌更粗一點),發音圓潤渾厚,內外弦的音色差別比較明顯。其中“敦煌”牌已成為上海弦的代表和標准。

蘇州弦蘇州民族樂器一廠“江南”二胡弦,蘇州東吳民族樂器廠“今吳”二胡弦及專業二胡弦的特點是直徑相對較細,裝這種琴弦的普遍感覺是da定音時琴弦相對上海弦較軟,聲音清亮細膩,內外弦音色差別相對較小,用在蘇州琴上下把位的效果較好。

北京琴弦。北京常青制琴社“常青”牌二胡弦或銀質二胡弦及北京星海公司的“星海”牌二胡弦。典型的北京琴弦的特點是較粗且質地較硬,所以音量大,音色剛而亮。裝在北京琴上,會有典型的北方製造的二胡的特殊風味。

德國pirastro公司出品的“紅龍”二胡弦。真正德國原裝,價格不菲。它是按照上海弦的規格製作。用料精良,包裝科學合理美觀,弦本身的均勻度好,張力統一,音位和泛音位極為準確。發音剛亮渾厚,內外弦音色差別比“敦煌”小。唯一的缺點是,起碼要拉上一個星期才能“拉開”

4、運弓的問題:

右手在運弓時音角度的問題使弦產生縱向振動和扭轉振動。當弓擦弦時不是直角而呈傾斜的角度時,如拉京胡,除了樂音(由橫振動所產生)之外,還會聽到較尖銳的聲音,是沿著弦長方向所做的週期性伸縮運動。他的頻率會比基音頻率高幾個八度。然而這一個縱向運動中包含高次泛音的產生,而高次泛音多屬不和諧音,所以如初學者或基本功練習不加者,在演奏長音時會有聽到較尖銳的聲音,就是產生縱向振動和扭轉振動。

5、但是問題來了,有些人在拉二胡時會說為什麼他的音頭會有雜音出現,我認為有以下幾個原因:

(1)、物理學上動摩擦及靜摩擦原理:

要使一物體產生運動必須克服其自身的最大靜摩擦,等其運動後即回到等值之動摩擦。所以初學二胡者常不自覺的加大運弓的初始力,其力量大過於弦的靜摩擦及動摩擦,導致無法偶合所以產生音頭的雜音出現。而練習久後及了解樂器習性,也能加以控制,這就是所謂的基本功練習重要的地方。 

(2)、蛇皮振動偶合原理:

因為蛇皮是固定的音高,所以蛇皮本身也會有ㄧ個固定的震動頻率,因此當再弦振動時,蛇皮本身的震動尚未被琴弦震動頻率給抓住, 所以剛開始二者彼此尋找偶合的最佳方式,會產生幾分之ㄧ秒,甚至ㄧ秒的時間在不穩動狀態所致。而如果蛇皮不夠緊,狀況會更嚴重,也就是說蛇皮和弦的偶合振動時間會更久,導致音頭雜音出現時間會更久。

 

三、解決二胡狼音的方法:

(一)、劉毅志《二胡的研究》。台北市中國民族音樂學會出版。及陳俞生在『二胡狼音的產生原因及消除方法』文中,提及二胡狼音的產生原因及消除方法。文中有提及:

二胡演奏家們從實踐中找以認識到狼音的來源,並在皮膜及琴瑪下方琴弦振動處塞上海綿、毛毯…等,來抑制琴瑪下方琴弦的振動。有也專家建議在琴碼下方墊柔性材料來消除狼音。這二種方式都有效抑制狼音,但都有降低音量,改變音調使聲音變的沉悶。作者針對以上缺點製作一音夾,使其黏於琴瑪下方琴弦上,不與琴碼及皮膜接觸。實驗證明,這種音夾抑制狼音有力干見影的效果[F4] 。


而吸音布,應該可以解決ㄧ部份蛇皮的問題。在音響的專業來說是將音稍微的延遲ㄧ,讓皮鼓可以穩定,也可以吸收ㄧ些琴馬以下的弦產生的振動,但是能吸收多少,那要看頻率而, 也就是說,琴馬以下弦的距離,決定了其共振的頻率,而吸音布吸收的是否剛好是那個頻率,決定了他的效果。

 

(二)、張韶《二胡廣播教學講座》。書中有提出對新皮膜的處理方法:

1、每天壓揉皮膜多次。2、做一壓皮架壓一至三次,每次壓三到六天[F5] 。


(三)、琴碼的問題:

照理說,聲音跟蛇皮的中心如果距離ㄧ定,其共振及諧振頻率會固定,但是偏偏二胡是六角形或是八角形,圓周跟中心點的距離都不ㄧ樣,所產生的共振也不ㄧ樣。而且如果拉二胡的人又不是把琴馬放在中心點那變數就更多了。
而琴馬其實是ㄧ個蠻重要的介質,作為ㄧ個聲音的傳導其形狀、大小、及材質,都會影響傳導的頻率變數。

匯集演奏家對琴馬的看法及製造者對琴馬的經驗法則,兩者加以比較及討

論:

1﹑舊有材質的探討

以楓木和牛毛梨木為主,作為長方形或圓形。另有二木馬(楓木和烏木黏

和在一起)、松節馬、鉛筆馬、竹馬、紙馬、高梁桿馬、鋼絲馬、骨馬、色

木馬、牛骨馬、象牙馬、、、等等。

2﹑發展新材質的可能性:

如以二木馬為例,他是由楓木和烏木黏和在一起,琴馬的三分之二用楓木

(在上部),琴馬的三分之一用烏木(在下部)。結合不同材質以作為二胡

發聲之探討。現階段油煎碼的運用,也是在加強聲音傳遞的優良性及阻抗的

減少性。

照理講改變琴馬會改變狼音的大小才對。就拿頻譜分析儀測試的結果,琴馬加大、材質不變狼音出現的地方會低幾度。而用橡皮墊的方式放在琴馬以下的地方可以吸收下弦的震動,但是不可能解決蛇皮的共振問題的。

(四)、演奏技術的克服:

一般以奏者在熟悉自己使用樂器的特性後,都會使用一些方式克服,如:演奏熱烈音樂且遇產生狼音處時,即會運用適當的弓壓及弓速來掩蓋過噪音的產生。或者適可而止的運用揉弦,或改變按弦的力度。這些無非都是在改變弦的振動模式,使其減少音樂中所產生令人厭惡的噪音。另一方面,使弓毛和弦成平面及盡量直角的運行,以避免產生多餘及不必要的高次泛音(如產生縱向振動和扭轉振動)。

結論: 

世界公認最佳的義大利斯特拉迪瓦裏小提琴,其物理參量有哪些特色,現在已有了深入的研究。我們可以借鏡西方研究的方法,如小提琴在高音部分有如此的音量及穿透力,是在於小提琴演奏高音時有其供振部分,而其善加利用音柱及低音樑,做面板和背板的有效共振,以及高音區及中、低音區的發音。如果能藉此並研究出一方法,解決二胡高音部分及低音部分音量及音色平衡的問題。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。充分瞭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。


參考書目:

1、陳俞生,2001:二胡狼音的產生原因及消除方法。中國音樂學季刊第3期。

2、鄭德淵《音樂的科學》。台北:大陸書局。

3、張韶《二胡廣播教學講座》。上海:上海音樂出版社。

4、張玉明《二胡問題系列解答(一)》。台中:易典實業有限公司。

5、劉毅志《二胡的研究》。台北市中國民族音樂學會出版。

6、鄭德淵《二十一弦箏之聲學研究及其音樂之研究》。台北:學藝出版社。

7、鄭德淵《中國樂器的藝術性與科學理論》。台北:聲韻出版社。

8、林昱廷、李志良,2003:南胡各段絃張力與共振頻率之探討。國立台北藝術大

學學刊。


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’" [F1]陳俞生,2001:二胡狼音的產生原因及消除方法。中國音樂學季刊第3期。

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’" [F2]鄭德淵《音樂的科學》。台北:大陸書局。

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’" [F3]林昱廷、李志良,2003:南胡各段絃張力與共振頻率之探討。國立台北藝術大學學刊。


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’" [F4]陳俞生,2001:二胡狼音的產生原因及消除方法。中國音樂學季刊第3期。

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’" [F5]張韶《二胡廣播教學講座》。上海:上海音樂出版社。

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