声学大师告诉你：指孔对音色的影响

按：本文节译自音乐声学巨人A.H. Benade于1979年所做学术演讲的打印稿（《Wind instruments and music acoustics》原文见：https://ccrma.stanford.edu/marl/Benade/documents/kma29-ocr.pdf ）。之前刊出的《声学大师告诉你：如何评价优秀的管乐器》及《管腔·指孔·喇叭口·截止频率》也见于该演讲稿。

本文在原稿中紧接着《管腔·指孔·喇叭口·截止频率》的内容，两篇文章可连起来阅读。

截止频率与音色

我们似乎已陷入讨论木管乐器声音频谱的某种困境。按照已推导的簧片和指孔组的行为方式，乐器强劲生成的成分，辐射虚弱。类似地，虚弱生成的成分，辐射强劲。乍一看，这似乎暗示着，由于辐射和生成效率大致上相互平衡，所有木管乐器的外部频谱都会是相似的！至少在单独一族木管乐器范围内，这种外部频谱的一致性，似乎已被实验室测量近似地确认了。但是，我将向大家展示一些证据以证明，事实上，音乐之耳（演奏者和听众的）对截止频率fc微小变化所导致的效果，是极端敏感的。

在讲更多之前，让我们花点儿时间，看看如何调和这些明显矛盾的陈述。先是，迄今为止，在可见的外部频谱数据中，看不到任何fc产生效应的迹象。然而我们必须认识到，这本身并不能证明什么，因为测量外部频谱的科学家们，多年来几乎未曾对声音在房间传播的现象给予关注，要么就是误用了相关的原则。其次，他们几乎总是忽略辐射过程中一些特定的特性（我们到演讲III才会讲到这些），这些特性的存在及其一般法则，已被讨论了至少近一个世纪。在对这些不确数据进行冗长描述的最后，是科学家没能向演奏者足够仔细地申明任务——前者没有费心用可理解的音乐性术语来表达，也未能号召后者以音乐家的专业技能来进行实验。结果是，哪怕只是对发表的声音频谱做粗略的检查，在不同观测者，甚至重复的同一实验之间，几乎不存在一致性。更糟的是，绝大多数情况下，音乐家都被抱怨说未能保持平稳的音，或未能于翌日奏出头天的某组音来。

在对科学家同行们极尽苛责的同时，应当坦白，直到最近，我自己也才意识到这个知行未能合一的问题。作为结果，谨慎，或许加上怯懦，让我（迄今）甚至未曾去尝试测量除了内部频谱以外的任何东西，获取内部频谱的重复数据是没那么困难的。

现在我要给出指孔截止频率重大音乐意义的三段论陈述，并对其正确性和有效性作出解释。

1. 其他条件不变，对一把校准恰当的木管乐器来说，指孔截止频率更低与音色更晦暗相关联。

2. 一件乐器相当大部分的声音特征，是由其指孔截止频率决定的。

3. 不同类型乐器之间公认的声音相似性，常与其指孔截止频率的相似性相关联。

图5展示了在一把特制实验室单簧管上测得的内腔空气柱响应曲线，对探索音色与fc之间关系来说，可用该曲线作为很好的入门。

顶部那条是几乎所有指孔关闭时管子的响应曲线，故此时乐器应发出其音域中的最低音之一。顶部往下的数条曲线，则展示了演奏底八度更高几个音时的峰谷模式，这些音是通过依次打开更多指孔得到的。

注意这把单簧管，其被设计为对每个音都有相当强的响应峰值，从而能与簧片共同工作发声。纵向贯穿整图的虚线，标明了每个音设计截止频率的位置。这条线往右，只剩下在振动中不扮演积极角色的，弱的峰谷。

观察这些响应曲线的物理学家一眼就能看出，为什么这把乐器的制作者要把它命名为“等谱单簧管”了。每个音本质上有着彼此相同的响应峰谷模式，我想强调，对每个音的响应峰值的“校准”非常小心翼翼，以保证最佳的配合。根据我们在本演讲A部分所学的，空气柱响应模式极大的相似性，将导致所发的音（在任何吹奏条件下）虽基音频率不同，但其不同成分间力度的比例却几乎是一致的。设计者关于物理频谱的预期已由实验证实了。然而，实验还进一步表明，任何音乐角度的听众，无不将该乐器平均律音域中的低音区，描述为比标准的单簧管更晦暗，同时又将其高音区描述为更明亮。不过，在C4附近，等谱单簧管与一把好的当代单簧管声音类似。我应当告诉大家，等谱单簧管在C4（大约1600赫兹）的指孔截止频率，被设计成跟一把普通Bb乐器的大小相当。我们将会了解到，在其整个音域中，一把普通单簧管的fc是大略保持不变的。而在等谱单簧管上，低端的fc比普通单簧管更低，高端的fc比普通单簧管更高。

录音中的声音样本5展示了等谱单簧管发出的音效，并将其与普通乐器的音效做了对比。虽然没在演示录音中出现，我可以告诉大家，将新单簧管最低的几个音与Eb中音单簧管作直接对比，或将其高一个八度（比如E4到G4）与一把Eb高音乐器作对比，将展示出显著的相似性。这是因为等谱单簧管那些音符的截止频率，与普通乐器相应的截止频率非常接近。

到目前为止，所有描述的实验都与演奏乐器的底八度相关。然而，木管乐器的第二八度是用同一组指孔（当然需要高音孔的配合）演奏的。任何在底八度与fc相关的音色效应，都有其第二八度的对应品，我们会在下面的段落里来验证这一点。

两把单簧管的实验

几年前，我曾改造过一对高质量Bb单簧管的内径和指孔，让其中一把所有音的fc降低了两个百分点，而另一把则升高两个百分点。这样的改动是个细活儿，因为我打算保留这些乐器原本优秀的调音，并调整校准它们的交互共振以取得最佳响应。演奏与实验室测量一致表明，以任何标准来看，这两把单簧管都属最高档次的艺术家级别乐器。事实上，时常会有专业演奏者借走这两把乐器，以期在公开演出中尽明其德。

在告诉大家这两把乐器单独（它们可被容易而舒适地二重奏）看来是如何优异之后，该是谈谈每个聆听和演奏过这两把乐器的人，都有怎样的反应了。主要兴趣是古典音乐的演奏者——那些以莫扎特，勃拉姆斯，舒伯特，亨德米特，或巴尔托克为音乐食粮的——会不约而同地选择那把低的fc乐器。在欣赏其响应性和优秀调音（任何好乐器应有的品质）的同时，他们还特别地喜欢其深色调的，平滑的音色——“几乎就像一把A调单簧管”。还是相同的这群演奏者（或听众），完全拒绝那把升高了fc的乐器，并常常伴以相当轻蔑的神情。他们抱怨这把乐器过于尖锐，尽管在逼问之后，他们也会承认，这把乐器的响应性和调音，与其深色调伴侣同样优异。另一方面，我的一个爵士乐演奏者朋友，谈论那把低fc乐器：“这真是个失败——完全没有音色，死气沉沉。”但对那把升高fc的乐器，他却非常兴奋。他表扬其明亮，清晰的音色，并坚持要拿走，以备当晚和接下来一周的演出之用。当两派人同时面对两把乐器时，各方都坦言，自己对另一方的偏好感到困惑，即使是在双方都愉快认可其朋友的专业技能之时！

这里出现了一个我在演讲I中所说“合适音色”的活生生例子。美国的古典音乐演奏者，喜欢比市场上能买到的乐器稍稍暗色调一些的音色，但在自己的乐器送修，不得已的时候，也能接受从爵士乐演奏者朋友借来的明亮些的乐器。完全类似的，爵士演奏者想要一把比能买到的稍稍明亮些的单簧管，但要是没办法，则也可以去借一把经典音色的乐器来用。然而，我的两把单簧管差异足够大，每一把都有自己热情的支持者，相异阵营的成员认为对方乐器太过古怪而无法接受（甚至根本不能看作乐器！）

截止频率对管弦乐队乐器的影响

在看过两幅木管乐器音色和指孔截止频率关系的实验图谱之后，现在我们将能对乐器家族历史性实例的fc值作出有用的分析，这些乐器包括单簧管，双簧管和巴松。图6展示了数把单簧管的此类数据。

从标绘的曲线组很快就能看出，在整个指法范围内，fc只是轻微下降了一点。

上部的粗实线（图中标以②）属于一把典型的现代波姆系统Bb单簧管。可把该曲线作为此处研究其他乐器的分界线。例如，靠下的粗实线（标以③）展示了波姆系统A调单簧管fc的趋势。注意这两条趋势曲线是多么地平行，这反映出两件乐器设计相同的事实。

由于两件乐器的fc相差6个百分点，我们可以测一下听众对fc小幅变化的敏感度：我的两把改装单簧管中每一把与普通Bb乐器的差别，大约是普通Bb与A调乐器差别的三分之一。现场演奏升高，普通，和降低fc的Bb单簧管，即使是相对缺乏经验的听众，也能轻松地完成比较工作——绝大多数人能把乐器的顺序摆放正确。

图6所示单簧管中的一把，是制作优异并保养很好的贝多芬时代C调单簧管（标为④）。从演奏者的角度看，其实测上半段音符的音色与现代Bb单簧管非常一致，而下半段除了最低两个音以外，所有其他音甚至比今天的A调单簧管还要暗。注意这些观察结果与该乐器fc的趋势完全一致：“a member of the crowd”句子中用左手构成指法的音符，从音符C4直至F3#的指法，值都非常低。这让我们理解了，为何现代管弦乐团用Bb调乐器演奏经典C调单簧管乐段，已成为一种习惯。如果想到对通常用途来说，现代波姆C调单簧管（fc≈1800赫兹）实在是太尖锐了，我们会对此理解得更深刻一些。我自己曾在这样的一件乐器上动过大手术，并成功地把优秀的响应性和调音与大幅降低的fc（接近1700赫兹）结合了起来。这把乐器现在没有了其同类惯有的尖锐感，成为一把演奏起来非常愉快的乐器，但仍因太明亮，而不能被经典单簧管音乐演出所接纳。

现在转来看双簧管家族，如图7所示。

跟前文一样，粗实线表示我们最熟悉乐器——当代双簧管的属性。所有当代制造的乐器与该模式极为接近——回忆一下fc那2%的陌生变化给单簧管世界带来的骚动吧！我们只需指出，除了标记C5指法的地方，在整个范围内，fc的值都保持着极端的一致。这个C及其八度音的粗糙和难驾驭是出了名的，在这儿我们看到了原因。我要赶紧补上一句，特里波特和他的后继者们有很好的理由保留这个异常，如果草率地对此进行修正，演奏者会对乐器的操控性产生很多抱怨。

图7中最高的曲线（①）是一把由特奥巴尔德·波姆设计，特里波特亲手制造的乐器。尽管其有着优美集中，响应灵敏的声音，及非常精确的调音，却不能用于音乐。它的音色令人绝望地明亮和尖锐，尤其是在上半段音符上。再一次，fc曲线的比例和趋势跟乐器的音乐属性符合得极好。

尽管属于十九世纪最优秀两位专家工匠努力的结晶，由于在诸良德之中缺乏可被接受的音色，这把乐器是失败的。

我们对图7最下面曲线（⑤）的数据有着特别的兴趣，因其与fc识别乐器效果三段论的第三条有关。这条曲线展示了巴洛克乐器指法范围内fc的典型变化。仔细看一下，就会注意到fc的特征值取整后是1100赫兹。我还将告诉大家，现代英国号与如今的双簧管有着类似形状的曲线，只是前者的值降至接近1100赫兹左右。所以就不奇怪，很多人听到巴洛克双簧管的声音会联想起英国号！

顺便说一句，常有人说（我自己也写过！）英国号的特征元音（“aw”）是由其梨形喇叭口的共振峰造成的。这是错的，原因有三：（a）乐器的喇叭口并未表现出共振峰行为；（b）声音“aw”与两个，或更准确，三个共振峰的位置和强度相关；和（c）将喇叭口换成一段延伸的管子，管身设计1100赫兹截止频率的指孔列，则乐器的声音特征保持不变。

在离开双簧管之前，我想回顾一下本演讲B段对匈牙利唢呐所做的介绍。介绍里我说该乐器的音色令人联想起英国号。我同时指出其与图1的关系（用的词可能和这里不精确一致），匈牙利唢呐的fc接近于1100赫兹。现在这种关系应该是明显的——我们在听英国号时，我们的耳朵已经对特定种类的声音熟悉了。

最后一组截止频率的数据是巴松家族的。这展示在图8。

和之前一样，熟悉的乐器，一把优秀的赫克尔，用粗实线展示（④）。我们注意到，整体来说，一把现代法国巴松的截止频率处于德国同侪之下，而不会低到其巴洛克前辈的水平。

曲线1是一把我做过几分改造的德国型乐器，该曲线阐明了非常有趣的一点。看图面上的数值，我们会预计，这把乐器比其他乐器有着稍微明亮开放些的声音——甚至可能超出可接受的音乐性范围。在改造过程一开始的时候，其音色的确可说是明亮的。然而，等管腔的协同共振被调整到极为协调的状态时，响应变得平滑，绝大多数巴松声音中那熟悉的小瑕疵和沙哑不见了。人们不再感觉这乐器过于明亮了。通常而言，重要的是，不管对乐器的校准是如何小心翼翼，这种平滑化都会发生，而听者则会描述声音变暗了。故而，我们有了一种额外调暗乐器音色的方法（这里就不提簧片吹口设计的相关效应了），此时无须调整截止频率。

在结束这段演讲之前，我想强调，任何情况下，乐器的承载能力会随其协同效应增至极致而提高，一旦这一点被达成，承载能力本质上就与操控fc值带来的音色改变无关了。一把粗糙，明亮的乐器，并不必然比一把暗音色的乐器承载得更好。

全文完

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