人工皮二胡與蟒皮二胡聲學特性的對比研究*

李昊辰，付曉東

（1.北京市大峪第二小學，北京 102300；2.中國音樂學院，北京 100101）

皮膜作為二胡聲能的共振體與輻射體，其材料性能對二胡音色起著非常重要的影響。采用傳統蟒皮的二胡，其不同個體間的音色存在一定差異，且易受環境溫度、濕度影響。此外，使用蟒皮制作的二胡，還存在有違反環保公約與限制出境的問題，這對二胡藝術的發展產生了一定的制約。

國家林業局于2004年出臺《中國野生動物經營利用管理專用標識》的規定，由此興起了替代蟒皮新型材料研究的熱潮。市場上涌現出大量二胡人工皮膜材料，包括合成纖維織物為基底的復合膜、聚酯膜底與纖維骨架復合膜、單層或多層聚酯膜底等各種類型的人工皮膜。然而，由于材料結構與性能的多樣性，二胡人工皮膜并無統一的質量標準與評測體系，演奏者也對其音響質量、演奏性能的評價褒貶不一。

因此，運用科學手段對二胡人工皮膜進行檢測與評價，以此規范市場，確立質量標準，可以對二胡樂器產業與二胡藝術的發展產生重要的推動作用。本文將從音樂聲學的角度入手，對市面上常見的四種人工皮二胡進行聲學檢測分析，并從客觀層面進行對比評測。

1 實驗準備

1.1 琴體與皮膜的選擇

為了最大程度地保證實驗的客觀性，本次實驗用到八把六角型二胡，琴體均由某樂器廠采用同批次科特迪瓦紫檀木料，于2018年3月統一制作而成。除琴體外，這八把二胡的琴弦、千斤等，也均采用同品牌、同批次部件。八把二胡琴體蒙制以不同類型的皮膜，但保證其琴碼、墊布及琴弓等部件的同一性，有效保證實驗過程中皮膜為唯一變量。

八把二胡中的四把為蟒皮二胡，四把為人工皮二胡。蟒皮二胡1與蟒皮二胡2的琴皮來自同一條蟒蛇的不同部位，蟒皮二胡3與蟒皮二胡4的琴皮來自另一條蟒蛇的不同部位。四把人工皮二胡分別選擇市面在售的價格最低、價格最高，以及添加棉線、添加玻璃纖維的四種人工皮，分別命名為人工皮二胡1、人工皮二胡4、人工皮二胡2和人工皮二胡3。

1.2 音頻錄制與音頻分析

本次錄音共使用2支傳聲器，型號均為DPA4006全指向傳聲器，傳聲器擺放在二胡演奏者后方45°位置，距離琴筒1 m，距離地面高度78 cm，與琴筒保持水平。拾音方式如圖1所示。

本次采樣過程中，擔任二胡演奏的人員均為中國音樂學院二胡專業本科四年級學生，錄音系統為ProTools HD數字音頻工作站，采樣頻率為48 kHz，采樣精度為24 bit。音頻分析軟件采用GMAS 2.0通用音樂分析系統與Sonic Visualiser 3.2音頻分析軟件，數據分析則采用Matlab 8.5。此外，采用B&K2250聲級計測量不同皮膜二胡的音強。

圖1 拾音方式示意圖

圖2 蟒皮二胡1平均音強統計圖

圖3 蟒皮二胡2平均音強統計圖

圖4 蟒皮二胡3平均音強統計圖

圖5 蟒皮二胡4平均音強統計圖

2 不同材質皮膜對二胡音強的影響

音強又稱“響度”或“音量”，單位為分貝（dB）。音強與音高、音色、音長并稱為“樂音四要素”，是評價樂器聲音的一個重要指標。

本次實驗聲級計擺放的位置與錄音的傳聲器位置相同，計權方式為A計權。以下平均音強統計圖中的數據為三名演奏員三次演奏的平均值。

2.1 蟒皮二胡音強

圖2為蟒皮二胡1平均音強統計圖。蟒皮二胡1全音域內音強最大的音是G4，其響度為92.85 dB；音強最小的音是#F7，其響度為51 dB；動態范圍最大的單音是E6，其數值為28.75 dB；動態范圍最小的單音是D7，其數值為10.9 dB。蟒皮二胡1在G5—#F6之間存在明顯的響度低谷①，在G6—#F7之間音強呈現出明顯的下降趨勢。

圖3為蟒皮二胡2平均音強統計圖。蟒皮二胡2全音域內音強最大的音是G6，其響度為94.1 dB；音強最小的音是D6，其響度為56.55 dB；動態范圍最大的單音是E4，其數值為25.95 dB；動態范圍最小的單音是D7，其數值為10.7 dB。蟒皮二胡2在G5—G6之間存在明顯的響度低谷，在G6—#F7之間音強衰減較為平緩。高低音區的響度表現整體較為均衡。

圖4為蟒皮二胡3平均音強統計圖。蟒皮二胡3全音域內音強最大的音是G4，其響度為94.6 dB；音強最小的音是#F7，其響度為56.05 dB；動態范圍最大的單音是#F6，其數值為26.4 dB；動態范圍最小的單音是#C7，其數值為9 dB。蟒皮二胡3在G5—G6之間存在明顯的響度低谷，A6—#F7之間音強呈現出較為明顯的下降趨勢。

圖5為蟒皮二胡4平均音強統計圖。蟒皮二胡4全音域內響度最大的音是G5，其響度為96.85 dB；音強最小的音是D6，其響度為56.15 dB；動態范圍最大的單音是#C7，其數值為25.1 dB；動態范圍最小的單音是A6，其數值為12.85 dB。蟒皮二胡4在A5—G6之間存在明顯的響度低谷，A6—#F7之間音強呈現出較為明顯的下降趨勢。不同音區的響度表現整體較好。

總體來看，4把蟒皮二胡在音強方面的表現具有一定的統一性，如在G5—G6之間存在響度低谷，皮膜出自同一塊蟒皮不同部位的蟒皮二胡3及蟒皮二胡4，在A6-#F7之間音強均出現明顯的衰減趨勢。表現較為突出的是蟒皮二胡2和蟒皮二胡4，尤其在高音區域（G6—#F7），音強走勢相對較穩定。同時，這兩把二胡的皮膜選材，也是四把二胡中部位相對較好的兩塊皮膜。

2.2 人工皮二胡音強

圖6為人工皮二胡1平均音強統計圖。人工皮二胡1全音域內音強最大的音是#F4，其響度為95.1 dB；音強最小的音是D7，其響度為53.05 dB；動態范圍最大的音是B5，其數值為30.1 dB；動態范圍最小的音是D7，其數值為18.1 dB。人工皮二胡1有兩個音強能量的響度低谷，在A6—D7之間音強呈現出較為明顯的下降趨勢。

圖6 人工皮二胡1平均音強統計圖

圖7 人工皮二胡2平均音強統計圖

圖8 人工皮二胡3平均音強統計圖

圖9 人工皮二胡4平均音強統計圖

圖7為人工皮二胡2平均音強統計圖。人工皮二胡2全音域內音強最大的音是E4，其響度為97.85 dB；音強最小的音是E6，其響度為53.15 dB；動態范圍最大的音是A4，其數值為28.25 dB；動態范圍最小的音是B6，其數值為11.75 dB。人工皮二胡2在D4—E6之間音強總體呈下降趨勢，A5-G6及A6—E7之間存在兩個較為明顯的響度低谷。

圖8為人工皮二胡3平均音強統計圖。人工皮二胡3全音域內音強值最大的音是#F4，其響度為95.05 dB；音強最小的音是#F7，其響度為51.1 dB；動態范圍最大的音是B5，其數值為25.5 dB；動態范圍最小的音是G6，其數值為15.05 dB。人工皮二胡3在強力度演奏時，音區從低到高的響度值總體呈下降趨勢；弱力度演奏時，在G5—G6之間存在明顯的響度低谷，G6—#F7之間音強呈現出較為明顯的下降趨勢。

圖9為人工皮二胡4平均音強統計圖。人工皮二胡4全音域內音強最大的音是#F4，其響度為95.55 dB；音強最小的音是#F7，其響度為51.25 dB；動態范圍最大的音是#F4，其數值為28.2 dB；動態范圍最小的音是B6，其數值為16.55 dB。人工皮二胡4在G5—G6之間存在明顯的響度低谷，G6—#F7之間音強呈現出較為明顯的下降趨勢。

總體來看，四把人工皮二胡在音強方面的表現各不相同，但同時也存在一些共性。人工皮二胡1在G5—G6之間的音強表現強于其他二胡，人工皮二胡1與人工皮二胡2在A6—E7之間出現第二個音強響度低谷。人工皮二胡3和人工皮二胡4均為G5—#F6之間出現響度低谷，G6—#F7之間音強呈現出下降趨勢。人工皮二胡4全音域內音強走勢與蟒皮二胡的走勢較為接近。高音區域（A6—#F7）音強能量衰減幅度較大，是人工皮二胡面臨的共同問題。

2.3 人工皮二胡與蟒皮二胡的音強對比研究

2.3.1 動態范圍

動態范圍的數據為每一把二胡在不同演奏員多次演奏時，其全音域所有數據中最大值與最小值的差值。表1為動態范圍統計表。

從表1可以看出，八把二胡中，動態范圍最大與最小的兩把二胡分別是人工皮二胡2與蟒皮二胡4。蟒皮二胡中，蟒皮二胡1動態范圍最大，為43.6 dB；蟒皮二胡3動態范圍最小，為36.8 dB。人工皮二胡中，人工皮二胡2動態范圍最大，為46.6 dB；人工皮二胡1的動態范圍最小，為41.55 dB。八把二胡的動態范圍從小到大排序依次為：蟒皮4＜蟒皮3＜蟒皮2＜人工1＜蟒皮1＜人工3＜人工4＜人工2?？傮w來看，人工皮二胡較蟒皮二胡的動態范圍大。

表1 動態范圍統計表（單位：dB）

表2 標準差統計表

2.3.2 標準差

標準差又稱均方差，在概率統計中最常使用作為統計分布程度上的測量。標準差的定義是總體各單位標準值與其平均數離差平方的算術平均數的平方根。它反映組內個體間的離散程度?？梢哉f，標準差數值越小，表示這一組數據越穩定。表2為標準差統計表。

從表2可以看出，弱力度時，標準差由小到大排序依次為：蟒皮2＜人工1＜蟒皮1＜蟒皮4＜人工3＜蟒皮3＜人工4＜人工2；中強力度時，標準差由小到大排序依次為：蟒皮2＜蟒皮4＜蟒皮1＜人工1＜蟒皮3＜人工3＜人工4＜人工2；強力度時，標準差由小到大排序依次為：蟒皮4＜蟒皮2＜蟒皮1＜蟒皮3＜人工1＜人工4＜人工3＜人工2。總體來看，人工皮二胡較蟒皮二胡的標準差大。

2.4 小結

蟒皮二胡中，蟒皮二胡2標準差較小，體現出音強變化相對平穩、整體音強相對統一的特點，同時其自身的動態范圍較大，在四把蟒皮二胡的音強測試中顯示出一定的優勢。

四把人工皮二胡在音強方面的表現各不相同。人工皮二胡1標準差數值較小，音強整體較穩定，但其動態范圍較?。蝗斯てざ?音強能量較大，但標準差數值較大，音強波動較大；人工皮二胡3及人工皮二胡4音強變化走勢與蟒皮二胡具有一定的相似性，動態范圍數值較蟒皮二胡大，但標準差數值較大，音強能量波動較大，同時高音區音強衰減明顯。

整體看來，八把二胡在D4—#F5之間的音強變化趨勢較為平穩。在G5—G6之間存在一個音強響度低谷，結合上述測量數據，基本可以認為D6音是二胡的響度低谷最低點。同時，二胡G6以上的音，音強再次出現明顯的下滑趨勢，單音能量及動態范圍整體均較小。這反映出二胡琴體本身的聲學特性。好的二胡往往能夠彌補琴體自身的缺陷，在以上音區有更好、更穩定的表現。

圖10 蟒皮二胡D4音時域頻譜圖

3 不同材質皮膜對二胡音色的影響

3.1 前五諧音時域頻譜圖

分別選擇二胡內、外弦的兩個空弦音D4、A4進行分析與對比。

3.1.1 二胡D4音前五諧音時域頻譜

圖10～圖11為蟒皮二胡、人工皮二胡D4音時域頻譜圖，圖中按左上、右上、左下、右下依次為二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

從圖10中可以看出，四把蟒皮二胡內弦空弦音D4均為基音能量最弱、第二諧音能量最強。蟒皮二胡1與蟒皮二胡2的前五個諧音中，均有一個諧音出現的時間較晚。蟒皮二胡3與蟒皮二胡4諧音的能量排序基本一致，第二諧音＞第三諧音、第五諧音＞第四諧音＞第一諧音。

從圖11中可以看出，四把人工皮二胡內弦空弦音D4的前五個諧音中，能量最強的諧音均為第二諧音、最弱的均為第一諧音。第五諧音能量整體波動較大，人工皮二胡1與人工皮二胡2的第五諧音能量整體較弱。人工皮二胡3前五個諧音的能量排布方式與蟒皮二胡大體相似，人工皮二胡2和人工皮二胡4中第一諧音、第二諧音、第三諧音和第四諧音與蟒皮二胡3及蟒皮二胡4的排列方式相似，但人工皮二胡第五諧音的能量顯著低于蟒皮二胡。

3.1.2 A4音時域頻譜圖

圖12～圖13為蟒皮二胡、人工皮二胡A4音時域頻譜圖，圖中按左上、右上、左下、右下依次為二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

從圖12中可以看出，四把蟒皮二胡外弦空弦音A4的前五個諧音中，除第五諧音以外，其他諧音能量從大到小依次為第四諧音、第一諧音、第三諧音、第二諧音。不同二胡第五諧音的能量具有較為明顯的區別，蟒皮二胡3第五諧音能量最強，蟒皮二胡4能量最弱。四把蟒皮二胡基音的出現時間均較其他諧音早。

從圖13中可以看出，四把人工皮二胡外弦空弦音A4的前五個諧音中，能量最強的為第一諧音，第三諧音能量較強，第五諧音能量整體較弱。人工皮二胡1諧音間能量差距較大，人工皮二胡3諧音間能量差距較小。

八把二胡外弦空弦音A4的前五個諧音中，蟒皮二胡能量最強的均為第四諧音，人工皮二胡能量最強的諧音均為基音，八把二胡的第三諧音均為各自頻譜圖中能量第二強的諧音。不同蟒皮二胡第五諧音的能量具有較為明顯的區別，而不同人工皮二胡的第五諧音能量整體較弱。

圖11 人工皮二胡D4音時域頻譜圖

圖12 蟒皮二胡A4音時域頻譜圖

3.2 非諧波成分

本部分數據是將spear頻譜中的所有諧波去掉，剩下的非諧波成分。橫軸代表時間，縱軸代表頻率。分別選擇二胡內、外弦的兩個空弦音D4、A4進行分析與對比。

3.2.1 D4音非諧波成分

圖14、圖15分別為蟒皮二胡、人工皮二胡D4音非諧波成分圖，從左到右依次為二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

總體來看，人工皮二胡內弦空弦音D4在起振階段存在大量的非諧波成分，非諧波成分的頻率范圍從小到大排序依次為人工皮二胡1、人工皮二胡3、人工皮二胡4、人工皮二胡2。在穩定階段，四把二胡都有三條較為明顯的噪聲頻帶，300 Hz～1 000 Hz為第一條噪聲頻帶，人工皮二胡1、人工皮二胡2的第二條噪聲頻帶窄于人工皮二胡3和人工皮二胡4，3 500 Hz以上為第三條噪聲頻帶。人工皮二胡1與人工皮二胡2的非諧波成分顯著少于人工皮二胡3與人工皮二胡4。人工皮二胡內弦空弦音D4的非諧波成分整體少于蟒皮二胡。

圖13 人工皮二胡A4音時域頻譜圖

3.2.2 A4音非諧波成分

圖16、圖17分別為蟒皮二胡、人工皮二胡A4音非諧波成分圖，從左到右依次為二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

外弦空弦音A4的非諧波成分整體少于內弦空弦音D4。八把二胡的起振階段均在較寬的頻率范圍內存在大量的非諧波成分。在穩定階段，四把蟒皮二胡都出現了三個較為明顯的非諧波頻帶，且同一把二胡在內、外弦空弦音中，三個非諧波頻帶范圍基本重合。總體來看，300 Hz～1 000 Hz為第一非諧波頻帶、1 500 Hz～2 800 Hz為第二非諧波頻帶、3 400 Hz以上為第三非諧波頻帶，第二非諧波頻帶的帶寬范圍較大，非諧波成分較多。人工皮二胡3與人工皮二胡4的非諧波頻帶與蟒皮二胡的非諧波頻帶的特征整體較為相似，但兩把二胡內弦空弦音的第三非諧波頻帶頻率均較高。人工皮二胡1與人工皮二胡2較為明顯的噪聲頻帶均為兩個，非諧波成分整體較少，各非諧波頻帶的帶寬較窄。

圖14 蟒皮二胡D4音非諧波成分圖

圖15 人工皮二胡D4音非諧波成分圖

3.3 頻響曲線

圖18、圖19分別為蟒皮二胡、人工皮二胡頻響曲線圖，圖中按左上、右上、左下、右下依次為二胡1、二胡2、二胡3、二胡4。

整體來看，八把二胡均為兩個共振峰帶。第一共振峰能量峰值在500 Hz左右，第二共振峰能量峰值在1 600 Hz左右。可以看出，人工皮二胡與蟒皮二胡的頻響曲線圖中，能量分布具有一定的相似性，但人工皮二胡的峰值能量整體大于蟒皮二胡。四把蟒皮二胡的兩個共振峰之間的能量落差整體較小，四把人工皮二胡兩個共振峰之間的能量落差整體偏大。

圖16 蟒皮二胡A4音非諧波成分圖

圖17 人工皮二胡A4音非諧波成分圖

圖18 蟒皮二胡頻響曲線圖

圖19 人工皮二胡頻響曲線圖

4 總結

從客觀數據來看，人工皮二胡在音強、音色兩方面，與蟒皮二胡均具有一定的相似性。同時，不同品牌的人工皮二胡也有各自的特點，如動態范圍大、非諧波成分少。四把人工皮二胡中，人工皮二胡3和人工皮二胡4的各項音樂聲學指標綜合表現具有一定優勢，并與傳統蟒皮二胡的聲音特征較為接近，可以作為人工皮二胡進一步發展完善的樣品。

當然，二胡人工皮的表現并不能僅由客觀測量數據來決定，因為音樂是聽覺藝術，樂器演奏本身也是行為藝術，聲學指標并不是評價人工皮與蟒皮二胡孰優孰劣的唯一依據。從聽覺層面來看，二胡音響的藝術品質的高低，還必須通過人的主觀聽覺來評測。從行為層面來看，二胡樂器的演奏性能的優劣，也需要演奏員的主觀體驗來判定。由此可見，主觀評價環節是得出最終評測結果的必要環節，但本文的研究內容目前僅限于客觀的測量與比較，希望以此為基礎，為未來的主觀評價環節提供參考。

僅就本文目前限定的研究范疇來看，人工皮二胡與蟒皮二胡在音強、諧音列結構、非諧波分布、頻響曲線與共振峰等各項指標的對比中，前者體現出動態范圍較大、非諧波成分較少、相同品牌人工皮二胡音色的統一度較高的整體優勢。這種優勢在主觀評價環節是否還能夠獲得相應的體現，并無絕對的保證。也就是說，獨奏用二胡應該采用人工皮或蟒皮，并無定論，但是從民族管弦樂隊合奏的音響要求來看，以上優勢絕對值得考慮。

注釋：

① 響度低谷，指該區域范圍內第一個音與最后一音的響度值較高，其余音的響度值均低于首尾兩音。