钢琴噪声衰减的实验研究

钢琴噪声衰减的实验研究

1关于不谐和谐波随着helmhol提出波幅和等级制度是影响声音质量的主要因素，已经讨论了许多关于波幅谱的研究，但仍有许多工作需要进行。而在幅度谱之中，第七、第九次谐波是2个很特殊的谐波。因为它们是钢琴声音前10个谐波中仅有的2个不谐和谐波，所以研究其对音质的影响是很重要的。原苏联版的《钢琴制造》上介绍：所有的三角钢琴和立式钢琴，低音区和中音区的击弦点几乎同样都是在弦长的1/7和1/9部位上，只是在高音区有各种显著的变化。格罗特利安-斯坦威克公司采用的击弦点为弦长的1/7和1/9。从这些经验观点和琴弦振动理论来看，选择击弦点的目的是为抑制某个不谐和谐波。而在钢琴的实际生产中，为达到这个目的，往往以牺牲别的谐和谐波作为代价。比如考虑到钢琴弦槌的宽度，很多钢琴琴键的击弦点选在弦长的1/8处，这样做虽然抑制了第七、第九次谐波但却损失了第八次谐波。因此要研究既要衰减第七、第九次谐波，而又不改变其它谐波的幅度，钢琴声音的音质是否会得到改善？笔者将从主观心理听觉特性实验验证的角度出发研究一问题。2谐波对音色的影响笔者的研究以多媒体计算机作为工具，运用一些声学软件，对钢琴声音进行录音、处理，以改变钢琴声音的幅度谱（特别是中低音键的七、九次谐波），然后重发，由专业调音师进行音质评价，从而确定钢琴声音幅度谱中第七、第九次谐波与音质的关系。研究工作包括中低音琴键的分析与处理，具体步骤如下。(1）用传声器进行录音，经过声卡将模拟信号数字化处理后直接存入计算机保存。录音在半消声室进行，为接近自由声场，地面还铺设有一层吸声板。录音和分析处理软件均采用Cooledit，录音采样频率为44.1kHz，精度为16bit。传声器是无指向性的，安置在距钢琴后面1m，离地面1m处。(2）计算机软件对数字信号进行FFT变换，得到钢琴声音的频谱图或幅度谱图。(3）利用Cooledit软件上面的滤波器有意识的对幅度谱中第七、第九次谐波的幅度进行衰减处理。(4）将处理后的声音存储在计算机上，请专业人士（钢琴厂的专业调音师）进行试听验证。2.1关于七、九次谐波的统计和分析根据上述的实验条件和过程，逐一对钢琴声音的幅度谱进行分析和处理。下面以某钢琴的#C3键（第29键）为例说明实验过程和结果。图1和图2是某钢琴#C3键原始及衰减后的幅度谱图。在图1和图2中，为使图显示得更清楚，频率取值已被限制在一定范围内，把第七、第九次谐波进行6dB衰减处理的幅度谱图与图2类似，由于分贝尺度是经过实际声压的对数变换过来的，所以变为实际的声压幅度，就相当于对第七、第九次谐波的实际声压幅度分别减少了30%和50%。这样对钢琴声音进行逐个处理，存储在计算机里，然后进行对比、验证。根据主观音质评价的国际标准，需要多个专业人士的共同评比，然后取其统计平均。这次实验共做了14组，即做了从A0键（第1键）开始每隔4键一直到#C5键（第53键）。因为在#C5键之后钢琴声音的幅度谱图中的高次谐波已经较少，基本上是四次之后的谐波被背景噪声所淹没，所以高次谐波的分析处理就无法进行；同时在高音琴键部分的高次谐波的频率很高，基本上超出了人耳听觉特性的有效范围，因此可省略对高音琴键的高次谐波的研究。用计算机重放处理过的声音，请专业调音师来试听判别。该实验请了6位调音师，每人都把原始声音和第一、第二次处理后的声音听一遍，听的时候，没有告知他们哪个是处理的，哪个是原始的，然后让他们选出觉得比较好的声音。统计结果时，因为有一位调音师是从谐波多寡方面来判别，还有一位调音师是从钢琴声音的尾音长短来考虑，所以略去不计；剩下的只是4位调音师的统计结果。表1是剔除异常数据（41键的数据因调音师不能确定地判断而被剔除）后的心理实验结果。如只从表1中的单项数据看，并没有哪个声音占绝对优势。但仔细观察不难发现，表中纵向数据的和有时候并不等于4，而总共是有4个人进行实验的，即该实验人员认为3个声音没有明显的区别。但统计每种声音对应的所有键好评的人数：原始声音的总人数是16，衰减3dB的总人数是8，衰减6dB的总人数是21，可以看出，衰减6dB的声音的音质相对来说获得了更多实验人员的认可。如果进一步把这3种情况视作是三水平多次抽样的一个统计，得分就是其抽样值，以显著性水平α=0.05作单因素方差分析，得出F值为7.18，远大于F此外，笔者作了一次更进一步的实验，对钢琴声音的第七和第九次谐波做了10～20dB的衰减，并请了7位调音师来试听和验证，结果有多位调音师反映，钢琴音质不但没有得到很大的改善，对有些声音来说，反而变得很单薄难听了。所以，假如对第七第九次谐波衰减得太多，或完全把它们去掉的话，可能会收到适得其反的效果。根据上述实验的统计结果，可认为减小第七、第九次谐波的幅度在一定程度上能改善钢琴声音的音质，但不能减少得太多或完全去掉。2.2材料中和声的衰减处理上面考虑了单键情况下不谐和谐波对钢琴音质的影响。在音乐领域中，经常涉及的另一个问题是和声的谐和性，它用于作曲、编曲以及演奏等多方面。因此进一步考察研究了常用的大三度和声、五度和声、三度和弦这3种情况。主要目的是研究第七和第九次不谐和谐波在钢琴和弦中的影响。首先得到2个谐和音的2个键的声音资料，然后分别对第七和第九次不谐和谐波做3dB和6dB的衰减处理，再合成。具体步骤如下。(1）得到2个三度和声的录音，对它们分别进行七和九次谐波的3dB和6dB的衰减处理。(2）分别把2个键的原始录音和3dB,6dB衰减处理后的声音分别合成起来，这样就相当于在演奏当中同时按下2个和弦音。下面以某钢琴的#A2键和#C3键为例，观察它们的合成幅度谱图如图3和图4所示。明显的，合成的幅度谱就相当于把2个键单独的幅度谱叠加在一块。这是由于2个琴键声音之间的不相关特性所致。(3）结果分析。这些处理结果的验证过程与上一节所述相同，是由几个调音师来对它们分别打分。表2是实验结果的统计。从表2中的数据来看，没有哪一项占了绝对优势。但是从总数来看，选择每种声音的总人数分别为17,17和24。即第3种情况下，也就是衰减6dB的得分较高。而衰减了3dB的声音，与原始录音没有很大的区别。在6dB时的总数上的微弱优势，说明了在大三度和声的情况下，对第七第九次谐波的衰减处理，确实可使音质略有改善，只是效果还不是很明显。2.3复合声音的平均成分配五度和声情况的分析方法和实验验证过程与大三度和声一样，这里不再详述，表3是实验结果。从表3中的数据来看，较难看出哪一项有绝对优势。但是从总数来看，选择每种声音的总人数分别为17,18和25，可看出还是衰减6dB的声音占优势。所以，在五度和声中，仅仅衰减第七第九次谐波的幅度，对钢琴声音音质也有所改善。2.4九次谐波对音色的影响处理过程如上几种情况一样。抽样对钢琴声音进行处理完毕后，请专业调音师辨别。表4是实验结果。从表4中的数据来看，较难直接看出哪项占绝对优势。但是从总数来看，选择每种声音的总人数分别为13,8和19，以显著性水平α=0.05作单因素方差分析，得出第七、九次谐波衰减对音质有显著影响，第3种情况下即第七、九次谐波衰减6dB时钢琴的音质确实较好。由此看来实验统计结果和前面几种情况的讨论类似。3关于七、九次谐波的衰减值根据图形分析和制表数据分析，可清楚地看到：对第七和第九次谐波进行衰减处理，无论对单键，双键和声或三键和弦，钢琴声音的音质确实都有所改善。但如果将第七和第九次谐波衰减得太多的话，反