淺析鋼琴延音踏板的影響

田果

【摘 要】本文介紹了鋼琴延音踏板，并通過數(shù)據(jù)來分析延音踏板的主要效果和主要特點(diǎn)。延音踏板的作用是延長(zhǎng)琴弦振動(dòng)的時(shí)間，也就是說用來延長(zhǎng)聲音并且起到保留鋼琴聲音的作用。但在低音和高音的不同情況下，延音踏板所起到的作用會(huì)有所不同。本文測(cè)量了鋼琴聲調(diào)在踩下踏板和未踩下踏板時(shí)的振幅擺動(dòng)頻率，以用來觀測(cè)衰減的幅度和效果。研究發(fā)現(xiàn)，使用延音踏板會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)階段音色的衰變和失真。

【關(guān)鍵詞】鋼琴;延音踏板

中圖分類號(hào)：J624.1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1007-0125（2020）22-0085-02

現(xiàn)代鋼琴中，總共有三個(gè)踏板，極少出現(xiàn)只有兩個(gè)踏板的，右踏板始終是作為“延音踏板”，它的作用是延長(zhǎng)琴弦振動(dòng)的時(shí)間，并且讓弦與弦之間產(chǎn)生“振動(dòng)耦合”，從而產(chǎn)生振動(dòng)。左踏板被稱為“柔音踏板”，其作用是讓發(fā)出的聲音更柔和，使音色具有抒情的感覺。中間踏板的用途根據(jù)鋼琴的不同而有所不同，它可以是低音維持踏板，也可以是練習(xí)踏板，它可以軟化鋼琴的聲音。其中，延音踏板運(yùn)用得比較廣泛。延音踏板主要有兩個(gè)作用：首先，它充當(dāng)“額外的手指”，也就是說，在任何指法都不可能不讓演奏斷掉的情況下，它使音色保留并且產(chǎn)生連續(xù)的感覺;其次，因?yàn)樗械南叶伎梢援a(chǎn)生振動(dòng)，所以延音踏板使得音調(diào)得到了豐富。在使用延音踏板的時(shí)候，需要手和腳同步進(jìn)行，而且延音踏板的使用時(shí)間受演奏拍子的影響。本文通過數(shù)據(jù)分析，提供有關(guān)延音踏板效果的數(shù)據(jù)和信息。

一、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

為了研究延音踏板在踩著和沒有踩著的時(shí)候鋼琴音色的特征，筆者在網(wǎng)上找到了一個(gè)用來分析鋼琴音色的錄音實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在大型錄音棚里，實(shí)驗(yàn)的對(duì)象分別是鋼琴演奏時(shí)低音、中音和高音在有踏板支撐時(shí)的音色和沒有踏板支撐時(shí)的音色。這個(gè)錄音實(shí)驗(yàn)于2006年2月在芬蘭赫爾辛基的名為“Finnvox”的錄音室里進(jìn)行，鋼琴為雅馬哈三角鋼琴，序列號(hào)為3070800。

筆者在進(jìn)行該錄音實(shí)驗(yàn)時(shí)，專業(yè)音頻的麥克風(fēng)Danish Pro Audio 4041置于鋼琴上方32厘米處，左右聲道的麥克風(fēng)分別位于距鋼琴左右末端80厘米和71厘米處，可以更好地降低噪音。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，麥克風(fēng)位置保持不變。實(shí)驗(yàn)的目的是分析踏板的效果并收集處理合成之后的準(zhǔn)確信息。實(shí)驗(yàn)開始之后，首先在沒有延音踏板的情況下，分別演奏了低音、中音和高音，然后在踩下延音踏板的情況下，以相同方式演奏了低音、中音和高音。最后從中選擇了5組數(shù)據(jù)來進(jìn)行對(duì)比分析。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，為了盡可能保證所有的條件不變，筆者選用了17個(gè)0.5kg的硬幣，串在一起，這就形成了統(tǒng)一的重量。比如對(duì)于最高的音域，也就是鋼琴最上面的那個(gè)鍵，要保證每次按下琴鍵時(shí)使用相同的力度并發(fā)出同樣大小的聲音，這就需要利用到筆者準(zhǔn)備的硬幣。

二、數(shù)據(jù)分析

為了展示筆者實(shí)驗(yàn)與“芬蘭實(shí)驗(yàn)”的不同，筆者找到了他們當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也就是圖1。圖1中（b）清楚地展示了，在相同條件下，使用延音踏板所產(chǎn)生的振動(dòng)情況。圖1（a）、圖1（b）展示了C4這個(gè)音的不同頻率圖，從中可以看出，當(dāng)使用延音踏板的時(shí)候，頻率圖很明顯地多出了一部分。圖1（c）則是用傅里葉變換轉(zhuǎn)化出來的頻率對(duì)比圖。

在本文這一部分中，筆者將借助信號(hào)分析來展示踏板的影響。首先，從踩和不踩延音踏板的錄音中提取單音部分，分析踏板的效果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確到秒的比較。

（一）部分提取分析

記錄下來的數(shù)據(jù)信號(hào)通過濾波和提取單個(gè)踩著和不踩著踏板的音色來進(jìn)行分析。一般來說，有三個(gè)特征：初始水平特征、音色衰退的時(shí)間特征和振幅跳動(dòng)特征。它們之間可能存在差異。這些特征是基于圖2所列的五個(gè)聲調(diào)例子進(jìn)行研究的，圖中體現(xiàn)了它們的基礎(chǔ)頻率和偏差音系數(shù)。這些參數(shù)可以通過手動(dòng)計(jì)算或使用一些特定的音調(diào)算法來估算，例如Galembo和Askenfelt提出的偏差音濾波方法。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究員是使用一個(gè)簡(jiǎn)單的基于峰值選取技術(shù)的演算算法來評(píng)估實(shí)際音調(diào)的基礎(chǔ)頻率和偏差音系數(shù)。在該算法中，鋼琴音中的局部峰值可以在光譜中找到，并利用諧波分量的位置，可以將相應(yīng)的頻率評(píng)估出來。理論上來說，用下面的計(jì)算公式可以計(jì)算出來：

（二）其中m是部分指數(shù)，fm是相對(duì)應(yīng)的頻率。通過求實(shí)際分頻和理論分頻之間的最小均方誤差，然后帶入到上述等式中可以得到最佳的B和f0的估算值，之后根據(jù)關(guān)鍵索引信息可以得出對(duì)這些參數(shù)的初始猜測(cè)。

（三）分析鋼琴案例的時(shí)候，由于有兩個(gè)階段的衰減和上升，因而諧波表現(xiàn)出復(fù)雜的變化過程。為了獲得音調(diào)衰減時(shí)間的近似值，用最小二乘法，將直線擬合到信號(hào)記錄包絡(luò)的前六秒。之后，根據(jù)擬合直線的斜率計(jì)算T60的估計(jì)值，即衰減到60dB所需的時(shí)間。然后，對(duì)與音調(diào)基礎(chǔ)頻率相對(duì)應(yīng)的部分重復(fù)上述的步驟，直到得出結(jié)果。

（四）圖3和圖4列出了五個(gè)測(cè)試音的結(jié)果，分別給出了與基礎(chǔ)頻率相對(duì)應(yīng)的各部分的總衰減率和分別衰減率，以及它們的初始水平。從圖中可以看出，在使用延音踏板的情況下，尤其是在鋼琴的中間音段，衰減時(shí)間通常更長(zhǎng);在高音區(qū)，衰減時(shí)間沒有顯著差異;而在低音區(qū)，總的衰減時(shí)間似乎略有減少，但第一部分的衰減時(shí)間隨著延音踏板的使用而增加。一部分音的初始水平變化比較小，是在1dB內(nèi)，這些變化通常很難聽到，因?yàn)閷?shí)在是太小了。在中間區(qū)域，由于二重態(tài)和三重態(tài)，弦的數(shù)量更多，中間弦和高音弦連接在同一個(gè)連接點(diǎn)上，導(dǎo)致更多的弦連接到周圍的弦，很可能造成周圍的一些弦與敲擊鍵對(duì)應(yīng)的弦互相干擾，所以當(dāng)這些模塊不被減音器所隔開時(shí)，已經(jīng)彈奏的音調(diào)衰減時(shí)間會(huì)增加。在高音區(qū)，衰減時(shí)間不太可能增加，即使一個(gè)高音部分的頻率與一些低音部分的頻率幾乎相同，但是因?yàn)橹C波很少，所以高音并不能激發(fā)低音的能力。此外，高音弦又非常遠(yuǎn)離中間區(qū)域，所以更不會(huì)被干擾。

（五）從感性的角度來看，衰減時(shí)間增加與什么因素相關(guān)是一個(gè)更加復(fù)雜的問題。J?rvel?inen和Tolonen兩位研究員給出了衰減參數(shù)的感知公差，并得出一系列的結(jié)論：如果衰減時(shí)間變化在75%到140%之間，則衰減時(shí)間變化顯得不明顯并且衰減非常輕微。盡管兩位研究員所得出的感知公差是根據(jù)類似于吉他撥片的音調(diào)所確定的，但是可以感覺得出來，這個(gè)感知公差用來表明人在聽到鋼琴聲音時(shí)，大腦對(duì)鋼琴音調(diào)衰減過程的分析同樣是不準(zhǔn)確的。在這種情況下，衰減時(shí)間差似乎僅在音調(diào)為C4時(shí)才可以聽到，因?yàn)門60踩下延音踏板時(shí)的衰減時(shí)間是原本T60衰減時(shí)間的161%。

（六）另一組實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果是：與不使用延音踏板的情況相比，使用延音踏板按下琴鍵時(shí)的音調(diào)，兩階段衰減變得不那么明顯。這個(gè)特性也是由于弦儲(chǔ)存器的能量泄漏，它取決于連接點(diǎn)的導(dǎo)納效果。

三、小結(jié)

本文分析了鋼琴中延音踏板裝置的作用。在物理上，踩下延音踏板可以提升減音器的效果，否則會(huì)阻擋弦所產(chǎn)生的共鳴。從數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用延音踏板時(shí)，剩余信號(hào)的能量會(huì)增加，因?yàn)橄覂?chǔ)存器中允許自由振動(dòng)。此外，當(dāng)踩下延音踏板時(shí)，鋼琴中音段的音調(diào)衰減時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。但是，當(dāng)聲音是在低音區(qū)域和高音區(qū)域發(fā)出時(shí)，并沒有觀察到這種現(xiàn)象。也就是說在高音和低音區(qū)域使用延音踏板時(shí)，諧波的初始水平并沒有產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的變化，在所有研究情況下，觀察到的變化保持在1dB以內(nèi)。