乐器声音品质的检测
一、乐器声音品质的内涵
“音质”或“音品”（tone quality），是人们常来形容各种乐器（也包括人声）发声效果的一个专有名词。人们常常将其与“音色”（tone color或timbre）混用，其实从英文的字义上我们就可以把音质和音色清楚地区别开来：音质是指声音的品质，因而有优劣、高低之分；而音色是指声音的色彩，它只是体现一种声音区别于其它声音的独有的特性，并没有优劣、高低之分。由此而言，我们可以用“好”与“差”这样的词汇来评价一件乐器的音质，却不能用它来评价乐器的音色，因为全世界乐器都有其独特之处，不同地区、民族、乃至个人对音色都有所偏爱，无法统一。
既然音质有优劣之分，那么我们就可以对乐器的声音品质进行检测。但相对于“音质”而言，“乐器声音品质”的内涵更为丰富，因为它不仅仅包含单个乐音的品质，而是涵盖一件乐器的整体发声效果。
先来看看乐器的声音品质一般包括哪些要素。
1、音域（compass）
音域是指“乐器所能发出的最高音与最低音之间的音频范围”，一般用音程值来标示。音域是衡量一件乐器声音品质的重要因素之一。在其它条件相同的情况下，音域越宽，乐器的表现力越强。以我国古老民族乐器——埙为例，早期的埙因为音孔少，音域一般不超过八度。至近代，我国不少埙演奏家通过各种改良手段扩展了埙的音域。较为成功者有四川音乐学院王其书研制的双腔葫芦埙，音域扩展到两个八度以上，既可重奏也可独奏，音乐表现力增强许多。有些乐器、尤其是擦弦乐器，虽然型制相同，但由于材料和制作工艺的差异，其音域也会有所不同，主要体现在高音区，好的乐器可以发出更多的乐音。音域不是所有乐器的参数。无明确音高的打击乐器不存在音域问题。有些弦乐器和管乐器，只明确规定音域下限，上限则需视演奏者演奏水平而定。
需要注意，音域宽窄与发音数量并不总是成正比。发音数量与乐器音律结构有关，有的乐器可以在其有效音域内随意发音，不仅可以演奏半音阶，还能演奏微分音，乃至滑音，如小提琴、二胡等。有的可以只能演奏半音音阶，如钢琴、手风琴等。有些乐器则只能弹奏自然七声音阶或者五声音阶，例如传统的筝、箜篌等。
2、音准（intonation）
音准是指“乐器的发音在高度上的准确程度”，一般用被测音的高度同相关规定值之间的差值（多用音分值）来标示，差值越小越好。一件乐器总体音准水平对乐器声音质量影响极大，尤其象定音弦乐器（如吉他、琵琶）、定音管乐器（如笛子、笙），如果没有良好音准，几乎等于断送了乐器的生命。
特别要解释一下上面提到的“相关规定值”的含义，目前我国乐器行业所使用的音高标准，基本以12平均律和a1=440Hz这两个要素为规定值，绝大多数乐器、无论中乐、西乐都以此为标准调音。但是在钢琴调律中，由于钢琴本身存在的一些特殊性，其高低两端音区的音准必须偏离12平均律规定值听起来才“准”。这对于这种奇特现象，科学家至今还没有找到完美的解释。
在乐器音准上还有一个非常值得关注的因素，就是音准的稳定性。有的乐器由于材料、结构设计和制作工艺等方面寸存在这样或那样的问题，致使在使用过程中音高发生偏移，从而破坏了音准的稳定性。这种乐器自然不能用于高水平的音乐表演。
3、音量（loudness）
音量是指“乐器发出的声音的大小”，一般用分贝值（dB）来标示。一般在保证声音质量不变的前提下，人们希望乐器音量越大越好。需要注意的是，乐器在不同音区的音量往往差异很大，所以高质量的乐器，往往能够在不同音区保持较好的音量平衡性。有时，人们为了在这方面取得一点点提高，都要付出很大努力。譬如，二胡高音区的音量非常小，与中低音区的音量不成比例。我国二胡演奏家陈泽、赵砚臣等人就曾为此专门成立课题小组加以研究改进，目前已经取得了一定进展。
因为乐器音量与演奏方法有极为密切的联系。故在音量测量上还有一个较为重要指标，就是“动态范围”（dynamic range）。这个指标体现的是乐器弱奏与强奏音量的变化幅度，也是用分贝值来标示。如同对所有的音响产品要求一样，对于乐器，这个指标当然也是越大越好。
4、音长（duration）
音长是指“乐器从激励发声衰减至无声所持续的时间”，一般用时间单位秒来标示。绝大部分乐器的音长都受到演奏者的控制，包括钢琴这样的敲击乐器，也可以通过制音器来干预发声的长短。只有编钟、编磬一类的敲击乐器，由于没有止音装置，一旦敲响便一发不可收拾。因此，需要在制造的时候检测音长。其实乐器声音自然延续的时间长短，并不能代表乐器声音品质的高低，但可以说明乐器振动系统内部的阻尼系数的大小。如果阻尼系数小，自然有利于声能的延续。换言之，声音自然延续时间长的乐器，往往也是发音比较灵敏、音质比较和谐的乐器。
“发音灵敏度”是与音长有联系的一个因素，它是指乐器在受到激发后直至能够被人耳感知的时间过程。这个时程越短，表明乐器发音越灵敏，作为乐器演奏者，恐怕没有一个人愿意使用发音迟钝的乐器。从乐器声学角度讲，只有当乐器本身振动系统的阻尼系数相对较低时，乐器才会有较高的发音灵敏度。如何乐器降低振动系统的阻尼系数涉及乐器的材料、结构、装配、油漆、调试等诸多因素，因篇幅所限不便在此展开讨论。
5、音色（timebre或tone color）
音色一词因借用了视觉范畴中的色彩概念，却又与颜色没有任何联系，故在词义的界定上存在一定难度。《新格罗夫音乐与音乐家词典》将其定义为“能够将音高、音强都相同的两个音区别开来的一种声音属性”①。因为音色问题比较复杂，故很难用一种参量来标示。目前常借用声音频谱来标示其泛音列的结构，但也仅能说明静态音色的一些状况，而动态音色，如不同演奏方法产生的音色变化，静态频谱尚无法解释。
二、乐器声音品质检测方法
总体上讲，乐器声品质检测方法分两种，一种是客观检测，另一种是主观听觉检测。目前乐器界常用的是后者，主要是因为客观检测的成本比较高，同时检测手段、检测技术和检测理论也都不够成熟、完善。而主观检测相对来说比较容易实现。
笔者下面介绍的一些乐器的检测方法，主要来自本人从事乐器检测工作的经验，同时也参考了其他专家、工程师的理论。在此冒昧提出，希望得到同仁指教。
1、音域检测方法
音域的测量，应当以客观检测方法为主，主观检测为辅。具体做法，就是让乐器演奏者用常规演奏方法演奏乐器的音阶，然后用音高检测仪器测量最高音和最低音的音高值，在仪器测量的同时，需要用主观检测来确定乐器的发声质量。特别在极高音区，如果声音质量已经无法接受，就不能认可该音域的有效性。
测量结果应当给出频率和音名两种值。同时应当注明演奏者和演奏方法，尤其对管乐器来说，这一点特别重要，因为演奏者演奏水平和演奏方法对音域的宽窄影响很大。
2、音准检测方法
音准的测量，与音域测量方法基本相同，也是以客观检测为主，主观检测为辅。所不同的是，音准测量需要测量乐器的所有发音状况。譬如测量长笛，就不能仅仅测量一种自然音阶，而是要把音域内半音阶全部检测。
检测结果应当给出频率和音名加音分差值两种数据。例如检测C调长笛的a音结果，频率值为441Hz，音名加音分值则为a1+4。同时也要注明参与检测的演奏者和演奏方法，理由同上。
田泽林先生在《略论乐器的声学参数》一文中提出了乐器的“平均音准”概念，表达的是“乐器各单音音准误差的算术和对总音数的商”。其数学表达式为：
C= 。式中，C为平均音准，n为乐器的总音数，x为各音位的序号，Cx为各音的音准。
前面已经提到，有些乐器，像无品、柱的擦弦、拨弦乐器不需要做音准检测，但仍需要做音准稳定性的检测。关于音准的稳定性，田泽林先生也给出了一个数学表达式：
C1=dC/dt。式中：C1为音准稳定性，量纲为音分／时间，dC为在时间t内音高的增量，t为考查的时间。
另外，对于钢琴这类在音准上具有一定特殊性的乐器，目前普遍采用以主观（调律师）检测为主，客观检测为辅的方法。客观检测标准一般遵循目前世界公认的经验曲线（见图1）。
3、音量检测方法
乐器音量的检测应当以客观检测为主，主观检测为辅，因为听觉对声音大小的辨别能力远低于对音高的辨别，所以对于音量的细微变化的感知，人耳不如仪器。理想的测量乐器音量的方法，应当采用机械手触发乐器发声，用仪器在适当距离对声音进行测量。采用机械手触发乐器是为了避免演奏者人为动作改变触发力度，进而影响乐器的音量。但就目前乐器检测技术水平而言，采用机械手发声尚不具备可行性，因此只能采用人工演奏方式。这就需要演奏者尽可能以相同姿态和相同力度进行演奏，以保证检测结果的准确。在此情况下，需要更多的主观听觉的参与，主要是对演奏者的演奏方法和力度做出评价。
对乐器动态范围的检测，方法与音量测量基本一致，首先让演奏者用极弱力度演奏一个音，测量出分贝值（L1），再用极强力度演奏同一个音，测量出分贝值（L2），然后用L2减去L1，就是乐器的动态范围。需要注意的是，因为音强与音的时值有很强的相关性，在检测时，音的时值不能过短，至少应当在1秒钟以上，而且弱音和强音的时值要一致。在动态范围检测过程中，主观参与的作用主要是评判弱音和强音的发声质量。譬如对于弱音，至少要做到让主观检测者能够听到声响；对于强音，则应当做到不失真。
4、音长检测方法
音长的检测应当以客观检测为主，主观检测为辅。前面提到，音长检测仅对编钟、编磬类乐器有用，因此这里以编钟为例加以说明。根据本人经验，将编钟音长测量方法定义为“声音由起始时的音量下降30dB所经历的时程”。其他乐器音长的检测可以参照此法，但要根据乐器发声特点对分贝值作相应修改。具体方法，由演奏者以适当力度敲击钟体，并开始计时，仪器显示分贝值下降30分贝后，停止计时。此过程的时长，便是被测编钟自然延续的音长。
关于发音灵敏度的检测，目前仍处于探索阶段，困难在于如何确定一种科学的检测方法。前面提到灵敏度是指“乐器在受到激发后直至能够被人耳感知的时间过程”。而目前常用的检测方法是检测“乐器发音从静止到达稳定状态或峰值所经历时程”（简称“峰值检测法”）。很显然，这是一种客观检测方法。现在的问题是我们还没有足够证据能够说明乐音到达稳定状态或峰值与我们听觉状况之间的关系。譬如，乐音在到达稳定状态或峰值之前，我们的听觉是否就已经感觉到乐音了？或者相反，乐音在已经到达稳定状态或峰值之后的一段时间，我们才能感知声音的存在？如果这个问题尚没搞清楚就贸然使用峰值检测法，自然无助于提高乐器检测工作的效能。
（上接第59页）5、音色检测方法
因为音色问题牵扯的客观因素较为复杂，目前尚无成熟理论对其进行解释，故笔者认为乐器音色的检测应当以主观检测为主，客观检测为辅。主观检测方法主要是请一些专业听审者（即所谓“金耳朵”）在标准听音环境中仔细聆听被检测乐器，然后依据标准的评价用语将主观感受记录下来。客观检测目前则主要使用频谱测量。
目前在音色的主客观检测方面都存在一定难度，主观检测的难度，主要是评价术语体系不统一，由于文化背景、语言习惯和专业领域的不同，人们对音色评价时所使用的术语体系也不尽相同。有的比较简单，有的复杂，我国音乐声学工作者曾提出15种表达术语；丹麦人斯塔菲尔德（Staffeldt）的评价体系由35个术语构成，而更为复杂的，如瑞典的加布里森（Gabrielsson）则采用了55个词汇。世界的乐器种类成千上万，每件乐器在不同音区、不同强度、不同演奏方法，所发出声音效果也不尽相同。要想把所有乐器的声音用一种音色表述体系加以概括，这可能是个天量的工作。
频谱（spectrum）是反映声音中泛音数量、以及泛音之间能量关系的图谱。它能够在一定程度上反映音色的客观情况，但并不全面。
关于乐器声音品质检测仪器和检测环境，笔者将另文讨论。
我国目前已成为乐器生产大国，但不是乐器强国，主要原因就在于我们乐器声音品质没有优势。乐器声音品质的检测对乐器质量的评定和提高具有重要作用，期待有更多人对此加以研究。 （全文完）
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