古筝拾音的最佳方位研究

张永飞，王 鑫，李大康

(中国传媒大学 音乐与录音艺术学院，北京 100024)

通常乐器的最佳拾音位只是根据乐器的声压级空间辐射特性进行确定的.西方关于乐器声压级辐射特性的研究较为广泛，Meyer[1]对交响乐队中乐器的声辐射特性做了详细的研究与阐述，其他的学者也做了许多拓展性的探究[2-3].而在乐器谐和性感知方面，西方学者也基于主观评价实验及数理分析，提出了表征谐和性的客观参数，由此很好地解决了西乐交响性的问题，但是并未见到该理论用于乐器拾音的研究中[4-5].反观国内，我国对于民族乐器的研究还处于萌芽状态，目前对于民族乐队的编制以及不同乐器拾音的传声器摆位还没有找到比较统一的结论，民族乐队普遍存在音色差异明显、响度不平衡等问题，这种现状与乐器声学研究文献的匮乏有直接的联系.华南理工大学的赵越喆等在半消声室对中胡等乐器进行指向性指数测算，但是由于测试点选取偏少，得到的结果较为粗略[6].

依据乐器的声压级辐射特性来确定其最佳拾音位，虽然可以保证乐器声压级辐射最大，但不能保证听感上是最谐和悦耳的.因此在对乐器声压级辐射特性测量的基础上，对其不同辐射方向上的谐和性进行测算，探究乐器在听感上的谐和性指向与声压级辐射指向的关系，可以对乐器录音提供新的可行性思路.本文以古筝为研究对象，分别进行声压级辐射特性及谐和性指向特性测算，并通过主观评价加以验证，进而得到古筝的最佳拾音位置.

1 指向性测试方法

图1 传声器阵列的3维模拟图Fig.1 Three-dimensional figure of microphone array

本次古筝指向性的测量是在中国计量科学研究院力学与声学计量研究所消声室中进行，消声室净空间尺寸为： 长×宽×高=14.00m×11.40m×8.80m(行走网到顶面的高度为6.0m).空调关闭时，A计权噪声为-2dB；空调开启时，A计权噪声为4dB.

测量采用同期多轨的方式，以乐器的几何中心为球心，设置一个半径为1.5m的传声器球形阵列支架，传声器数量为34支，如图1所示.实际操作时，由于阵列架的高度不便调节，因此通过调节演奏员座椅高度的办法使得乐器的几何中心处于球心所在位置.传声器用特制的夹子固定在阵列架的金属管上，为避免金属管对于高频的反射影响到测量结果，各传声器与金属管之间有一定距离，部分金属管还包有吸声材料.因此各传声器振膜与球心的实际距离是1.4m，每支传声器的具体位置见表1.表中传声器空间方位采用垂直角(-22.5°≤φ≤90°)和水平角(-120°≤θ≤120°)表示.在水平面上(φ=0°)，θ=-90°，0°和90°分别表示乐器的正左、正前和正右方.

表1 34支传声器空间方位角设置

注： a) 数值为θ的值，单位为°.

测试系统基于丹麦B&K(Brüel & Kjr)公司推出的PULSE电声测量测试系统，PULSE系统的平台包括软件、硬件两个部分，本次测试所使用的硬件部分主要包含传声器、数据采集前端和运行PULSE软件平台的PC工作站.34支4190测试传声器配2669前置放大器，通过七芯LEMO(雷莫)电缆连接3560D/3560C数据采集前端，3台数据采集前端通过网线连接一台以太网交换机，以太网交换机同时通过网线与运行PULSE软件平台的PC工作站相连接.34路音频信号由PULSE软件平台的PULSE Time Data Recorder记录软件进行多轨同期记录，记录的采样率为65.536kHz，量化精度为16bit，储存格式为pti.后期使用PULSE平台的Time Edit & Analyze软件将该格式转换成wav格式，再通过Pro tools音频工作站将wav格式采样率转换成44.1kHz.

在测试系统连接完成后，对测试系统进行校准.校准采用整体标定法，即用已知频率、幅度的声压级值作为标准，去校准由传感器、前端组成的测量系统.本次测试中，使用B&K的4231声压级校准器，将4190传声器插入声压级校准器，使用声压级校准器分别发生94dB和114dB的1kHz测试信号.通过PULSE平台中的校准软件自动检测到校准器发出的信号，并自动执行正确的校准程序.校准成功之后得到增益调整将自动替换校准前的旧值.为了使测得的信号在后期处理时能供其他分析软件使用，校准之后，分别在每一个通道上记录了94dB和114dB的1kHz校准信号.

本次录制的素材包括3种力度(pp(pianissimo，很弱)、mf(mezzo-forte，中强)、ff(fortissimo，很强))演奏的单音和以中等力度(mf)演奏的技法及代表性曲目，单音用于进行指向性分析，演奏技法或旋律用于主观听评.参照文献[6]关于演奏力度的定义，本文关于演奏力度的定义为： pp应尽可能温柔的演奏，但发音清晰，音调为衰竭；mf采用中等力度，尽可能轻松、舒适的演奏；ff应用尽量大的力度演奏，但不粗鲁，且声音仍悦耳，不出现破音[7].关于录制古筝音域内的所有单音，从大字组D直至小字三组d3.录制的演奏技法包括摇指、轮指、刮奏和泛音等.代表性曲目分别选取能表现乐器声音特点的文曲和武曲.在录制过程中，演员尽量保持演奏姿势不变.每个信号弹奏3遍，以方便后期选取最佳的实验信号.本文采用中等力度的单音信号进行指向性分析.

2 指向性测算结果

2.1 声压级辐射特性

通过对单音进行频谱分析，读取基频及前6次谐波的能量，得到不同频率在每个方向上的辐射能量.选择基频和前6次谐波是因为有相关文献表明基频和前6次谐波是感知音色最主要的频率成分[8].为了保证频谱分析时有较高的频率分辨率，快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation, FFT)长度选择为32768个采样(约743ms)，采用汉明窗.根据Meyer分析西洋乐器声辐射特性的方法，以3dB划分范围作为乐器的声压级辐射区域[1].能量最大值设为0dB，其他值减去最大值后，找出大于等于-3dB的数值所对应的角度范围.总结和归纳不同频率点声辐射区域，得到乐器在不同频率的声压级辐射区域，如图2所示.

图2中颜色越偏向深红色，辐射声压级越大；颜色越偏向蓝色，辐射声压级越小.从测量结果可以看出，随着频率的升高，声辐射特性变得越来越尖锐.在500Hz以下，古筝的声辐射特性基本上呈全方向性；在500Hz～2kHz之间，声辐射区域主要位于传声器5，8，11～13，19～25、30～32所在的方位，主要包含3个区域： 第一个在演员的正前上方略偏右的方向；第二个在演员的左侧及前左侧偏上的方向；第三个在演员的右侧及前右侧偏下的方向.在3kHz～4.5kHz之间，声辐射区域主要位于传声器1～5，8～12，19～20所在方位，主要包含两个区域： 第一个是乐器正前上方略偏右侧的方向；第二个在乐器左侧及前左侧偏上的方向.在4.5kHz～6kHz之间，声辐射区域主要位于传声器1～4，12～13及19～20所在的方位，主要包含两个区域： 第一个是乐器正前上方及前上方偏左的区域；第二个是乐器左侧及前左侧偏上的区域.在6kHz～7kHz之间，声辐射区域主要位于传声器5～11，19～22及28～31所在的方位，主要包含两个区域： 第一个是乐器正前上方垂直角约为45°的方向；第二个是乐器左侧及前左侧偏下的区域.

将不同拾音位置上所有的频率计算结果进行算术平均，然后以最大值为基准进行归一化处理，得到古筝声辐射特性在不同方向上的平均结果，如图3所示.图中横坐标表示水平角(θ)，纵坐标表示垂直角(φ).由此可以看出古筝的声辐射区域主要包含两个辐射区域： 第一个是古筝正前上方及偏右的位置，0°≤θ≤60°，45°≤φ≤90°；第二个是古筝左侧及左侧偏上的位置，-110°≤θ≤-50°，0°≤φ≤22.5°.

图2 古筝不同频率声压级辐射特性Fig.2 Directivity patterns of radiation pressure for different frequencies of Guzheng

图3 归一化的古筝声压级辐射特性Fig.3 Normalized directivity patterns of Guzheng radiation pressure

2.2 谐和性指向特性

对不同方向的单音进行听感谐和性计算，得到单音的听感谐和性指向，进而从音色悦耳度角度探究乐器的最佳拾音位置.在文献[9]中，通过对中国弹拨乐器的客观声学参数与主观评测结果进行多元统计分析，得到弹拨乐器单音的听感谐和性评价公式：

Y=-0.17C-3600F+142，

(1)

式中：Y为单音听感谐和性系数；C为频谱质心(spectral centroid)；F为频谱平滑度(spectral flatness).本文根据式(1)测算出古筝每个单音在不同方向上的谐和度，然后进行[0，100]的归一化处理得到该单音的谐和度指向结果.图4显示了古筝所有单音的谐和度指向结果，图中横坐标表示频率，纵坐标表示传声器的位置.由于古筝的最高音为小字三组的d3，转换成频率约为1319Hz，因此图中的横坐标频率上限即为此频率.从图中结果可以看出，古筝的谐和性指向与频率的相关性不大，没有呈现出随着频率增大，指向性变得尖锐的特点.对于频率低于900Hz的频段，谐和性指向区域主要位于传声器19～21的方位，即乐器水平左侧的位置；对于900Hz～1.3kHz的频段，谐和性指向区域主要位于传声器1，3，5的方位，即在乐器正前上方，67.5°≤φ≤90°.

对每个拾音位置的所有单音的听感谐和性进行算数平均，将得到古筝不同方向上谐和性指向特性的平均值，如图5所示.从实验结果可以看出古筝谐和性指向区域主要分布在3个方向： 第一个是在乐器正前上方，67.5°≤φ≤90°；第二个方向在乐器左侧位置，-120°≤θ≤-50°，-22.5°≤φ≤22.5°；第三个方向在乐器正前上方，φ=30°.

图4 古筝单音的谐和性指向特性Fig.4 Directivity patterns of consonance for different frequencies of Guzheng

图5 归一化的古筝谐和性指向特性Fig.5 Normalized directivity patterns of Guzheng consonance

2.3 实验结果的验证

采用主观评价来验证实验结果的有效性.实验信号均为消声室录制的古筝单音以及旋律，为了较为全面的覆盖古筝常用音区，单音分别选取了小字一组的d1，小字二组的d2和小字三组的d3.根据文中分析得出的声压级辐射特性以及谐和性指向特性，分别从单音以及旋律中挑选出4～5个差异较大的传声器位置进行主观评价.实验方法采用对偶比较法，比较响度以及音色悦耳度，用来反映不同方位实验信号的辐射声压级以及谐和性特性.实验的被试共11名，年龄分布在20～24岁，男女比例合适(5名女性，6名男性)，所有被试均有录音相关的专业背景以及听音的经验.重放设备为监听耳机AKG K271 MkⅡ，监听声压级为75dBA.通过重测信度检验，剔除了2个无效数据，有效数据的统计结果如图6所示.

图6 单音及旋律信号在不同麦克风位置的验证结果Fig.6 Comparison results between normalized objective data and subjective data for different microphone positions

图6中旋律的客观测算结果采用平均计算的结果与主观评价进行相关性分析.从图中结果可以看出，主观评价的结果与客观测算的结果相关性很高，均在0.75以上.因此文中关于声压级辐射特性及谐和性指向特性的测算方法可以较为准确地反映古筝响度及音色悦耳度的方向辐射特性.

2.4 讨论

从古筝声辐射特性的结果可以看出随着频率的增加，声辐射特性变得越来越尖锐，而谐和性指向特性与频率的相关性不大.通过对不同方向上所有频率的结果进行算术平均可以大致反应古筝在各个方向整体的辐射特性.结合古筝声压级辐射特性及协和性指向特性的结果，可获得辐射响度较大且音色较为悦耳的区域，即最佳拾音位，相对应的大致方位是：

1) 古筝的正前上方及上方偏右的位置，0°≤θ≤60°，67.5°≤φ≤90°；

2) 古筝左侧及左侧偏上的位置，-110°≤θ≤-50°，0°≤φ≤22.5°.

3 结 语

本文通过多通道同期录制的方式，在消声室测试了古筝的辐射特性，包括声压级辐射特性及谐和性指向特性.通过结合这两种指向特性的结果，可以保证获取的拾音区域既有较大的响度，又有较为悦耳的音色，为探究乐器的最佳拾音位提供一种新的研究方法.经测算发现，古筝的最佳拾音位有两个： 一个是位于乐器的正前上方及上方偏右的位置；另一个位于乐器的左侧及左侧偏上的位置.当前对准古筝底部的共鸣孔进行拾音较为常见，该位置处声音清晰，响度较大，且观赏效果好，但缺点在于低频过重.因此，在今后对古筝进行拾音时，可以考虑将传声器设置在本文得出的“最佳拾音位”，作为主话筒(或辅助话筒)进行录制，以提升古筝拾音时的音质.

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