乐器声学测量中声学计量仪器的运用简介

1 引言

乐器声学测量是指利用声学测量的技术手段对构成乐器声学特性各客观物理量的提取过程，其目的是通过对乐器不同物理参量的精确测量得出客观物理量与乐器声学特性之间的本质联系。从河南舞阳贾湖出土的古笛上的计算音孔位置的刻痕来看，我国早在八千多年前就对乐器进行了有目的的声学测量[1]。近年来对于中国传统乐器的声学测量越来越多，分别测量了琵琶、京胡、二胡、筝和柳琴等弦鸣类乐器，编钟、双音钟和磬等体鸣乐器，笙、笛和唢呐等气鸣类乐器，在乐器的音高、音域、声压级、声功率级、动态范围、音长、指向性和谐音分布等方面进行了不同的测量[2]。

乐器声学测量的目的主要是为了得到客观的数据，通过得到的数据可以为乐器的设计、制造和改良提供理论依据和标准，同时也为中国传统乐器的声音文化的保存也提供了载体。除此之外，录音师需要根据乐器的声学参数选择合适的传声器和拾音方式；建筑声学设计者需要根据不同乐器的声音特性设计不同声学环境的音乐厅；乐队指挥需要根据乐器的频率辐射特性等声学参数确定乐器在舞台上的摆位[3-5]。

目前对于乐器声学的测量大部分采用的是录音话筒、录音机或音频分析设备，在计算机的控制下进行采录和分析，同时大部分的测量是在录音室或者音乐厅中进行。乐器声学测量与常规的声学测量主要的不同点是采用的录音话筒大部分是具有指向性的，有时为了更好的降低外界噪声还要采用强指向性的录音话筒进行测量；同时乐器声学测量大部分都在有混响的环境下进行，而常规的声学测量尽可能在近似自有声场的全消声室或者半消声室中进行，消声室的房间边界采用渐变式吸声结构可以有效地吸收入射声波，反射声对声场的影响基本上可以忽略，在一定的频率范围内，这种房间中的声场基本上可以认为是自由声场。相比于在录音棚或录音室中进行录音，在消声室(自由声场)中对乐器辐射的声音进行采录，可以更好降低反射声波对采录信号的影响，更好的分析乐器辐射声音的频谱和指向性等声学参数。

为了更好的对中国传统乐器的声学特性进行测量，在文化部民族民间文艺发展中心、中国音乐学院和中国计量科学研究院共同实施的科技基础性工作专项“中国传统乐器声学测量及频谱分析”项目中采用声学计量方面的仪器设备，对主要的乐器进行在全消声室中的声学采录，并分析其声学参数和性能。

2 声学计量用仪器设备

为了更好的完成“中国传统乐器声学测量及频谱分析”项目中的乐器声学测量，录音话筒采用丹麦B&K公司的4190-L-001型自由场传声器单元进行声信号采集并转换为电信号，测量分析设备采用丹麦B&K公司的3560系列声学分析仪，软件程序采用“Time Data Recorded”对采集到的数据进行存储，在测量前用丹麦B&K公司的4231型声校准器对各个采集通道进行灵敏度校准。下面分别介绍所选用仪器的性能和参数：

全消声室的尺寸和体积远大于乐器测量所需要的空间，背景噪声远小于乐器测量所需的要求，因此在全消声室中进行传统乐器的采录是可行的。

图1 B&K4190-L-001

(2)B&K3560系列声学分析仪，可装入多个输入/输出模块，可采用直流(10 V～32 V)或通过交流/直流转换器供电，对多达65个输入通道进行同时采集，A/D转换可选为16位或24位，有多个高通滤波器(0.7 Hz，7 Hz和22.4 Hz)和声强滤波器可选，频率范围为DC～25.6 kHz，在最小量程下本机噪声不超过2.5 uV，具有专用的声强相位匹配通道，传声器输入方式可选(Preamplifer，CCLD和Direct)，图2为B&K3560D声学分析仪。

图2 B&K3560系列声学分析仪

自由声场按照国际标准ISO 3745-2003《声学-用声压法确定噪声源声功率级-消声室和半消声室精密法》附录A中规定的方法验收，测试信号要求用单频正弦信号，低端截止频率要求到40 Hz,各频段的允差也由于国际标准。表1为消声室的测试结果。

在目前教学中使用非常广泛的教学媒体实物投影，具备化虚为实、化大为小和化远为近的高级功能。在实际教学中，我们就借助实物投影这种现代教学媒体，再现了幼儿语言能力发展和提升的生活情景，助推幼儿语言能力发展。

道路长度为4 044 m，绿化带宽度为50 m，本次提升面积为121 320 m2。京河大道是滨河新区景城区的重要道路之一，作为迎宾大道，在景观设计上要求高档次、高标准，打造集景观和功能需求于一体的景观大道。这次提升设计将在重要节点处设置观赏性和功能性设计景观小品等；在植物搭配上主要以大色带、流线型为主，在统一中寻求变化，体现迎宾大道的特色，如图14所示。

图3 Time Data Recorder软件界面

(4)B&K4231型声校准器，可发出频率1 kHz，声压级为94 dB和114 dB的声信号，用于对传声器采集通道进行校准，通过其校准后可以使得声学分析仪各个通道采集到的声信号保持一致。其声学性能满足IEC60942:2003中1级声校准器的要求，声压级校准精度优于0.2 dB，频率误差不超过1.0 %，总失真不超过3.0 %，图4为B&K4231的照片。

研究对象选用皖电东送1 000 kV淮南至上海特高压交流输电示范工程的SZ3021特高压双回鼓型钢管塔,建立输电塔有限元模型进行分析.该钢管塔呼称高度为45m,整体塔高为101 m,塔底根开尺寸为19.71 m.输电塔主要由Q235和Q345两种钢管构件组成,只有塔头和塔腿的辅材使用了Q235角钢构件.如图1(a)和图1(b)所示为特高压钢管塔顺线路方向和垂直线路方向的立面图.

图4 B&K4231

从所选用的声学计量设备的技术指标看，频率范围和准确度等参数完全满足对乐器进行采录和分析的要求。

3 全消声室——自由声场

消声室内的A计权背景噪声测量结果为-2.4 dB，各1/3倍频程频带上的背景噪声如图6所示。空调机房不设在楼内，管道在进入实验楼时，对设备噪声和可能有的环境噪声进行一级消声和隔声处理，在进入消声室之前再次处理消声和隔声处理，通风空调设备工作时，A计权背景噪声为3.1 dB。

图5 全消声室

规则：将数字1～9填入空格内，使每行、每列及每宫内数字均不重复，虚线框左上角提示数表示该框内所有数字之和，同虚线框内不能出现重复的数字。

满铺的行走钢丝网负重大于1 200 kg，钢绞线直径4 mm，测试人员可自由地在室内网上行走。网与下方的吸声尖壁距离约为3.0 m，钢丝网上方至吸声顶的高度约为5.8 m，在钢丝网中部建有3.0 m×3.0 m的方形地格栅。室内温度能够保持在23℃±3℃ ，相对湿度45%～75%。空调及各种进入室内的设备，均采取与消声室内层结构相应的隔声隔振和消声措施。

(3)“Time Data Recorded”软件可控制B&K3560系列声学分析仪对采集到的信号进行无损采集和存储，并实时观测某一通道的时域或频域信号，其监视的频率范围和动态范围可根据需要手动调整，测试时可对采集信号的通道通过计算机声卡进行同步监听，其操作界面见图3。

表1 消声室自由声场单频正弦信号的测试结果

频率(Hz)自由场测试结果半径(m)允差(dB)ISO 3745允差(dB)402.2 1.5 1.550～633.0 1.5 1.580～5004.0 1.0 1.5630 ～ 5 kHz4.0 1.0 1.0≥6.3kHz4.0 1.0 1.5

中国计量科学研究院在昌平实验基地中采用复合共振与非对称组合构造吸声器的新技术，建立了高精度、大空间的消声室。消声室吸声结构为复合共振板吸声器(CPA)和非对称型无纤维吸声器(ASA)的组合，CPA可以提升低频吸声性能。网格上部墙面上的吸声构造表面覆盖一层阻燃的薄纤维织物，用于吸声构造的防尘，同时另加一层透声的穿孔钢板进行保护，如图5所示[6]。

（三）数学家华罗庚曾说过：“数缺形时少直觉，形少数时难人微，数型结合百般好，隔离分家万事非。”用多媒体辅助教学有助于数学知识的内化和深化，把一些呆板的无法言表的内容有抽象变为直观，图文并茂，声像具备，形象生动，有利于提要课堂教学效率，促进教育教学质量大幅度提高。本案中，对于探究为任意角，公式都成立，其内容较为抽象，学生不易理解。这时我应用几何画板展示公式动态相等过程，使内容直观化、具体化，吸引学生的注意力，启迪学生思维，更有利于培养学生正确有序的观察方法和空间想象能力。

图6 全消声室各1/3倍频程频带上的本底噪声

(1)B&K4190-L-001传声器单元采用全指向自由声场传声器B&K4190，其标称灵敏度50 mV/Pa，频率范围6.3 Hz～20 kHz，动态范围14.6 dB～146 dB，极化电压200 V，温度修正系数-0.012 dB/K，气压修正系数-0.01 dB/kPa，湿度修正可忽略，良好的长期稳定性。其前置放大器为2669型，其输入阻抗不低于15 GΩ，插入损失不超过0.2 dB，采用7芯LEMO接口，其外接30 m延长线时线缆损耗不超过0.05 dB，可以保证采集时各个方向的声音响应不会被忽略，图1为B&K4190-L-001传声器单元的照片。

4 全消声室中乐器声学测量

在全消声室中对乐器进行声学测量时，为了得到乐器辐射的指向性情况，基于全消声室中间的方形平台设计了直径为3 m的3/4球形支架，在其上均匀布放30只B&K4190-L-001型自由场传声器单元，其中底层布放6只，第二层布放8只，第三层布放6只，第四层布放5只，第五层布放4只，顶部布放1只。此外在乐器正前方采录位置布放1只进行频谱采录和监听，在乐器正下方的地格栅下地网上的位置布放1只，总共采用32只自由场传声器单元进行全消声室中的乐器采录和指向性分析测量。

全消声室净空间尺寸为14.0 m×11.4 m×8.8 m，净体积约1 400 m3。为满足电磁屏蔽要求，消声室外表面采用整体钢板包裹，同时也增加了隔声性能。消声室由固体弹簧支撑，以隔绝外界振动对消声室的影响，其共振频率小于5 Hz。消声室的门由隔声防火门、电磁屏蔽门和吸声门组成，频率范围为10 MHz～1 GHz的电磁屏蔽衰减量大于 80 dB。

在消声室中已完成对中国传统乐器中的古筝、古琴、扬琴、二胡、唢呐和阮等传统乐器的采录，并进行了初步分析，图7和图8为大阮和古筝采录时的照片。利用Reflex软件对测量得到的信息进行FFT分析，可以得到乐器在不同演奏情况下的频谱等信息，图9和图10为对大阮和古筝发声的频谱分析图。

图7 大阮

图8 古筝

图9 大阮a1音频谱图

图10 古筝a1音频谱图

从图谱中可以看出，大阮的基音位于220 Hz，实际音高为440 Hz,主要原因为大阮的弦长较长，共振面板较小，因此弦发出的较低的基音无法与面板产生充分的共振，只有第二次及以上的谐音与面板产生共振。该种现象普遍出现在各种琉特类乐器中。古筝由于其共振面板较大，因此琴弦的低聘与面板能够充分共振，因此频谱的峰值位于440 Hz处，其他谐音能量依次递减。

录音棚中所采录的大阮和古筝的a1音的频谱图见图11和图12，与录音棚录制的音频相比，消声室内的录制信号更为精细，对于音频信号的细节采录的更为准确；同时避免了在录音棚内不可避免的一些高频噪声信号

回到十年后血海肉林的灵宝谷，如果届时我们毫不犹豫地出手杀了哥舒翰，去掉将要轻出潼关的主帅，大军就会由混乱里镇定如常，反攻叛军，稳住阵脚，回师潼关，天下的大势就会发生转换，大唐的元气会重新凝聚起来。

图11 大阮a1音频谱图(录音棚)

图12 古筝a1音频谱图(录音棚)

5 小结

从上面的结果可以知道，利用声学计量仪器在全消声室中进行乐器声学测量是行之有效的，由于全消声室的低背景噪声和无反射声波的特性，可以更好地得到被测乐器辐射的直达声信息，并且能够进行乐器声音辐射指向性的分析。同时由于声学计量仪器的选用，可以更真实的测量乐器辐射的声学特性，为后期进行声音回放或者分析提供更加便利的条件。

注：第五届全国声音与音乐技术会议(CSMT2017)传统音乐技术论坛论文

参考文献：

[1] 韩宝强. 音的历程：现代音乐声学导论[M].上海：人民音乐出版社，2016.

[2] 杨帆. 古琴振动体与共鸣体声学特性研究[M].北京：中央音乐学院出版社，2015.

[3] 刘京宇. 中国民族乐器声学测量的若干问题[J]. 演艺科技，2013，89:37-41.

[4] 李子晋. 乐器声学品质评价方法研究[J]，演艺科技，2013，83:16-19.

[5] 韩宝强. 乐器声学系统与空间音乐声学[J].演艺设备与科技，2007，20:64-68.

[6] 何龙标，牛锋，陈剑林. 中国计量科学研究院消声室和半消声室介绍[J].噪声与振动控制，2009，(S1):321-324.