電子管風琴技術的前世今生

胡驍陽

（中國音樂學院音樂科技系，北京 100101）

電子管風琴技術的前世今生

胡驍陽

（中國音樂學院音樂科技系，北京 100101）

基于電子管風琴的音源、鍵盤、音序器、周邊控制器等組成部分，介紹了電子管風琴各發展時期的技術特點及所具有的主要功能，并展望前景。

電子管風琴；音源；音序器；控制器；展望

1 電子管風琴的產生與命名

管風琴是世界上最古老的樂器之一，從公元前3世紀起源至今，管風琴的發展跨越了兩千多年的歷史，而這個進程亦是整個西方音樂發展的進程。管風琴有著復雜、龐大的結構：多層的鍵盤，眾多的音管、音栓，以及復雜的發聲原理和操作技術，這些使得管風琴成為一架能發出美妙聲音的巨型機器，甚至有的規模龐大到有幾層樓高（見圖1）。

近幾百年來，管風琴發展出適應小型教堂與家用的腳踏式風琴Pump Organ（見圖2）與小風琴Harmonium（亦多見于印度音樂中，見圖3）等。這些便于搬運的小型風琴造價低廉、自供風力、獨立性強，音色雖接近管風琴，但音質尚不盡如人意，這為電子管風琴的誕生埋下伏筆。

圖1 管風琴

圖3 小風琴Harmonium

圖2 腳踏式風琴Pump Organ

19世紀下半葉，隨著工業用發電機和發電廠的大規模建成，電力技術開始應用于管風琴的發明。1897年，薩迪厄斯·卡希爾（Thaddeus Cahill）在美國申請發明專利“電動產生和電傳分發音樂的技藝裝置”（Art of and Apparatus for Generating and Distributing Music Electronically）獲得批準，1901年，卡希爾根據自己的專利研制了第一臺電傳簧風琴（Telharmonium），如圖4所示，該琴的控制臺和鍵盤是獨立的，主體部分（主要是一種特殊的電動機與電話線）大到能填滿音樂廳地板下的整個地下室。特殊電動機的軸上裝了許多帶鋸齒的磁鐵盤，電動機帶動磁鐵盤轉動形成旋轉磁場，定子線圈在旋轉磁場作用下感應產生交流電信號，鋸齒的多少決定感應電流的頻率，即音高，將此交流電信號接入電話聽筒可以聽到相應頻率的聲音，不同頻率的聲音經過疊加能得到豐富的音色；此交流電信號可以用電話線傳輸到音樂廳的揚聲器甚至千家萬戶。這是樂器史上第一臺電鳴樂器，也是電子音樂史上第一次提出“音色合成”與“加法合成”的概念。

1934年，美國人勞倫斯·哈蒙德（Laurens·Hammond）承襲卡希爾的技術，對電傳簧風琴進行改良，發明了哈蒙德風琴，見圖5。由于電傳簧風琴問世時真空電子管還沒有問世，為了得到足夠大的音量而選用龐大的繞組以便產生高壓音頻交流信號，哈蒙德風琴則應用真空電子管放大器可以將弱信號放大，大大節省了空間與制造成本。哈蒙德風琴被認為是電子音樂史上最成功的風琴之一，全世界約存有兩百萬臺。

20世紀50年代，日本雅馬哈公司將哈蒙德風琴的專利購買下來，并于1959年研制出世界上第一臺立式電子管風琴，取名Electone（即Electronic Tone的組合詞，譯為“電子之聲”）。電子管風琴將傳統的音栓體積減小，可以輕而易舉地安放在琴的兩側，甚至鍵盤和踏板的旁邊還配有可編程的音色存儲按鈕，這樣演奏者就不必在現場演奏時更換音栓。由于鍵盤不再需要機械連桿直接連接，演奏臺也就不用局限在一個固定位置，可以任意移動?，F在常見并熟悉的電子管風琴是日本于1991年之后生產的EL及ELS系列。

“雙排鍵電子琴”是雅馬哈對其電子管風琴的稱呼。世界上電子管風琴品牌有十余個，因為與管風琴的演奏方式、記譜方式一脈相承，所以國際通用叫法是ElectronicElectrophonic（電聲）Electrotonic Organ（電子琴）。很多電子管風琴的鍵盤實際上不僅有雙排的形式，還有三排的或者更多，德國WERSI旗下某些型號的電子管風琴就包含三層手鍵盤，見圖6，其他品牌甚至有四層手鍵盤。這表明在國內甚至亞洲范圍內俗稱的“雙排鍵”一詞不甚嚴謹，且容易誤讀，甚至局限了大家的思維。筆者認為，國內應先將其命名統一，至少中英文互譯要恰當意明。

2 電子管風琴音源與鍵盤功能的發展簡述與展望

電子管風琴和其他電子產品一樣, 隨電子技術的發展而更新換代，按照音源發聲原理和相應的鍵盤類型可分為四個階段。

2.1 模擬音源和無力度感應鍵盤時期

20世紀五六十年代，電子元件正值真空電子管與晶體管交替換代的時期，電子管風琴的音源普遍采用晶體管等分立元件構成的音源發聲器，通過分頻電路產生音階，音色也多是分立元件的模擬電路產生，以管樂音色為主，加以顫音的夸張修飾，但總體聽覺似像非像，電子味濃，和弦伴奏也比較簡單，可用的聲音效果屈指可數。

圖4 電傳簧風琴（Telharmonium）

圖5 哈蒙德風琴

圖6 三層手鍵盤的電子管風琴

早期的電子管風琴鍵盤手感極差，不僅機械結構不夠靈敏，而且不具備如今最基本的力度感應功能，對于今天的電子管風琴演奏者來說是難以忍受的。但在當時，該種鍵盤已經是最尖端技術的結晶，曾帶給那一代人藝術上的享受，使他們感受到了電子樂器的魅力，也激發了早期電子管風琴演奏者對這種樂器的熱情。

2.2 FM音源和壓敏導電橡膠電子鍵盤時期

到了20世紀七八十年代，雅馬哈發明了FM（Frequency Modulation，頻率調制）音源技術，其原理與FM調制技術沒有原則上的差異，并迅速應用到其電子琴和電子合成器產品上。它依據傅里葉變換的理論，在聲學領域，利用傅里葉變換可將任何復雜的波形分解為若干簡單的正弦波基波和一系列諧波的疊加組合；FM技術是傅里葉變換的逆向過程：用基波和一系列諧波疊加組合成復雜的樂器聲音。它利用模擬技術或數字技術的振蕩器先產生簡單的正弦波波形，然后再用FM調制器對它進行調制產生出具有載波和一系列諧波的復雜的波形，調制后再對其進行濾波修改、放大、效果疊加，從而得到多彩的聲音。這里FM載波就是基波，是與鍵盤的音程成比例的頻率，諧波是載波與n次調制波的和差頻率，是決定音色的信號。這種FM調制沒有解調的必要。如果用示波器來研究某個音色所包含的波形，并對波形進行分解處理，分析出波形的細節，就可以用FM技術模擬出近乎真實的聲音。

采用FM音源的電子管風琴克服了模擬電路音色模糊、混濁的缺點，以清新、純凈、明亮的新特性使音樂效果更趨合理。但由于FM技術依靠電聲技術的成分過多，而且FM運算器的數量往往有限，造成波形的變化過于規律，呈線性變化，但日常生活中變化多端的聲音卻不是如此規律，所以，FM音源電子管風琴的優勢并不在于產生真實樂器的聲音，而在于產生電子味道很濃的特殊音色。

此時，鍵盤領域也發生了一場技術革命，這個革命的標志就是壓敏導電橡膠被引入電子鍵盤樂器領域，見圖7。壓敏導電橡膠的特點是隨著壓力的不斷增大，本身的電阻會不斷變小。將其裝在鍵盤上替代原來阻值不變的金屬片，能感受到觸鍵的力度（準確地說應該是下鍵的速度），并在音量和音色上體現出來，這項技術被應用到了電子管風琴領域，大大增強了其表現能力，使電子管風琴的發展進入到了一個新的時代。從此，鍵盤開始以百倍于原來的速度發展。

2.4 PCM 音源時期

20世紀80年代中后期，PCM（Pulse Code Modulation，脈沖編碼調制）技術得到了廣泛采用，克服了FM音源的生硬、干澀的缺點。PCM音源技術原理是：對真實的模擬聲音如樂器聲樣本進行采樣、量化、壓縮編碼，變成數字信號，然后對數字信號進行處理，就可以對原始聲音進行創造性地改造，使之產生全新的聲響。這種技術和FM技術的結合，創造了更貼近人們真實生活環境的聲音。

圖7 壓敏導電橡膠的電子鍵盤

2.5 AWM音源和配重觸后系統鍵盤時期

20世紀90年代后期，電子管風琴隨著計算機技術的飛速發展和制造工藝的日益精湛，逐步跨越傳統模式，成為集電子琴、電子合成器、電腦編曲機的融合體。這時，電子管風琴采用 AWM（Advanced Wave Memory，高級波形記憶回放系統）音源和 VA（Virtual Acoustic，虛擬原聲樂器）音源，在音色創造力方面有了質的飛躍。 AWM音源的工作原理是：采集音源在最有特點的音域發出的幾個音，然后再對所記錄下來的聲音的音高、產生和衰減時間、上升率、衰減率進行調整，把調節好的聲音按音區分配給鍵盤，從而達到逼真地還原采樣前的聲音效果。盡管AWM技術是回放來自真實樂器、經典合成器或電子聲、自然聲的采樣波形，但AWM系統也提供了包絡器、調制器、濾波器對采樣波形進行修改和再創作。因此，AWM系統的優點不僅在于它杰出的還原真實音響的能力，也在于它對聲音的修整能力。一個音色中最多可以疊加4種波形（4層），因此使音色更有層次、更寬廣，音樂表情也更為豐富。

另一方面，VA音源將基于計算機的復雜 “物理模型”技術應用在音樂聲音合成上。這項技術最早由雅馬哈研發于20世紀80年代，屬于一種新型合成技術，用來合成電子管風琴上的領奏音色（因其復音數只能為1），彼時的HS-8型電子管風琴上可以看到這種技術的雛形。后來，雅馬哈與美國斯坦福大學（Stanford）共同開發這項技術，申請了專利，并注冊了商標。用這項技術產生的聲音較常規合成方法產生的音色更接近于真實樂器的聲音。VA音源在音樂演奏方面具有很多優勢，不僅體現在音質方面，并且在聲音的性能方面，使得仿效的樂器音效更具音樂性。VA音源擅長模擬在實際木管樂器或弦樂器上發生的復雜振動、共振、反射和其他聲學現象，從嘴唇動作到吹氣強弱模仿得維妙維肖；同時，可以創造現實中并不存在的假想樂器聲。

20世紀80年代末，鍵盤的配重和觸后系統相繼被發明出來。配重系統能成功地模擬鋼琴的擊弦感覺，使電子管風琴的觸鍵手感告別了遲鈍和干澀，即使在不插電的情況下，演奏員觸摸鍵盤也是一種享受。新的觸鍵后技術（After Touch）可令手指在下鍵后持續施壓時，鍵盤可以做出相應反應，此項功能可以用來模仿大量樂器在發聲瞬態后的音色與音量變化。水平觸鍵（Horizontal Touch）功能可以模仿類似揉弦的技術來控制音高的變化，觸鍵前（Initial Touch）的下鍵速度除了可以決定音量大小之外，還能體現特殊樂器的奏法（如在琵琶的撥弦與輪指技法間切換）。這些技術的引入極大提高了電子管風琴演奏的藝術效果，使電子管風琴的感情表達能力在繼力度鍵盤發明之后又上升到一個新的高度。

2.6 AEM時期

進入21世紀，雅馬哈在音源技術上有了突破性的進展，在模擬真實樂器甚至人聲的技術上有了長足的進步，最新型的雅馬哈ELS-02系列（2014年上市）。電子管風琴在原有的AWM技術之外，還包含了雅馬哈最新開發的清晰元素建模（Articulation Element Model）技術，并將其運用于超清晰音色（Super Articulation Voices）技術中，旨在重現原聲樂器平順、自然、不失真的音色，并力求真實地重現演奏樂器時的多種演奏技巧（如拍吉他音板、用撥片彈出泛音聲、薩克斯的滑音等）以及演奏原聲樂器音色時，因特殊演奏手法所伴隨的噪聲（如吉他上真實的手指滑弦聲、電鋼琴鍵盤的運動噪聲、吹管樂器的氣息噪聲等），想實現這些演奏技法需要在LCD（液晶顯示器）操控面板中進行設置，并在演奏時由音量踏板上的左踏板開關（Left Foot Switch）控制。ELS-02系列較上一代ELS-01系列，中國民族樂器音色有所增加，如板胡、馬頭琴、葫蘆絲、柳琴、三弦等。新的演奏技術帶來了新的演奏方式，對演奏者的全身協調統一提出了更高的要求。

2.7 未來期待

總的來看，電子管風琴從誕生之日起，就在不斷追求最大化還原真實樂器的音色與豐富電子音色的種類，并盡力調動演奏者各部分肢體用于控制樂器。令中國消費者欣喜的是，近幾年來，有更多的中國民族樂器音色添加到各類電子管風琴的音色庫中。但中國民族樂器單拿出任何一件，都有著豐富的演奏技法，單說古琴就有挑摘、抹打、剔劈、勾托等多種激勵方式，更遑論另一只手的按弦技法了。不過，用MIDI鍵盤演奏民樂音色的技術在國內已經實現，其演奏效果亦莫辨楮葉。在演奏過程中，需要在彈奏音符的同時，按下不常用的低音區的某些琴鍵來實現多種技法的變化，這種方法類似于ELS-02系列上的左踏板開關（Left Foot Switch）,但后者只有開和關兩種狀態，想要實現在電子管風琴上表達出中國民族樂器多種（或至少選取有代表性的）演奏技法，還需要更多的調控裝置。同時，在追求對“聲”的模仿技術時，亦應注重對“韻”的追求，兩者缺一不可，這就對一直將電子管風琴當作西洋樂器來練習的演奏者們提出了新的要求。希望在不久的將來，同等的民族樂器音色技術也能應用在電子管風琴中，使之能更真切地表達中國音樂作品，并伴有更多的中國電子管風琴樂曲活躍在國際舞臺上。

3 電子管風琴音序器的歷史回顧與展望

無巧不成書，最原始的音序器恰恰見于管風琴內。公元9世紀，波斯發明家Banū Mūsā三兄弟研制出最早的機械樂器——水力風琴（hydro-powered organ）。如圖8所示，水力驅動裝置是由一個大齒輪帶動一個大型圓柱體同步轉動，圓柱體表面上帶有凸起的銷，按照預設的排列方式（多數為人為演奏的“錄音”，即演奏的音符以表格的形式被記錄下來，類似于今日音序器軟件中常見的“鋼琴卷簾”，這也是在錄音技術發明之前除記譜外的另一種記錄音樂的方式，可見錄音技術也與管風琴頗有淵源）觸發琴鍵發聲，這種結構簡易的音序器同時也是最早能自動演奏并“可編程”的樂器之一。

15世紀，一種手搖風琴（Barrel Organ）開始見諸街頭，見圖9。其核心裝置由帶銷圓柱改為打孔的紙板或金屬片，如圖10所示，使得樂器能演奏更長的樂曲，并因減少磨損（由固體接觸變為紙板擋住風孔）而延長了使用壽命。這種出現于文藝復興時期的小型手搖驅動裝置甚至推動了管風琴音樂世俗化的發展。而這種風琴音樂直到留聲機、廣播、有聲電影誕生之前一直是西方國家主流的音樂娛樂方式之一。而表格式的表達方式亦為今日電子管風琴內音序器程序的產生提供了原型。

嚴格地說，電子管風琴上的音序記錄部分不應叫 “音序器”，稱“音樂磁盤錄音機”（Music Disk Recorder ，MDR）更為準確。音序器的作用一方面像普通的磁帶錄音機，用來記錄樂曲中各種信息數據；但另一方面比MDR更為復雜，能記錄各聲部的音色，每個音符的力度、時值、觸后等控制信息。它可以在演奏一首多聲部樂曲時，將無法同時彈奏的聲部先記錄下來，在正式演奏時予以重放，與現場演奏融為一體，使音樂效果更加豐富；還可將記錄好的樂曲信息在其他支持同樣格式的回放設備上進行重放，取得與制作時完全相同的效果，為音樂作品的交流提供了便利的條件。

“音序器”的作用不單是記錄信息，更重要的是擁有對所記錄信息強大的編輯能力。MIDI（Musical Instrument Digital Interface，樂器數字接口）技術的誕生，使得現代電子管風琴中MIDI格式的音序文件可以在計算機音序器軟件上進行修改與編輯。人手畢竟不如機器精確，演奏錄制下來后，節奏、音量、表情等信息可能會有細微的偏差，導致回放時達不到令人滿意的效果。而計算機音序器軟件中的量化功能（quantization）是解決這一問題的手段之一。利用這一功能，將音序文件導出，并交由計算機軟件來完成，這種編輯能力是MDR所不具備的。未來，能否將量化功能集成到電子管風琴中，通過琴上液晶觸摸屏完成選擇需要量化的片段與聲部等操作，而不需要太繁瑣的程序設計呢？

4 電子管風琴周邊控制器的歷史回顧與功能介紹

圖8 水力風琴

圖9 手搖風琴

圖10 以打孔板為音序載體的電子管風琴

由于演奏者在鍵盤上無法控制風箱鼓風，所以按鍵力度的大小與所發出的音量大小無關。早期管風琴音樂的力度變化多為段落式的，即不同段落間通過增減音栓改變音量，所以力度變化是階梯式的。到了19世紀，法國工程師卡伐葉（Aristide Cavaillé-Coll, 1811—1899）所設計的管風琴在腳鍵盤深處增加了音量踏板（Swell Pedal）和表情踏板（Crescendo Roller），如圖11所示。音量踏板能通過控制擋板從而控制進入音管內的風量大小，進而改變音量以及小幅改變音質。表情踏板會隨著轉動角度的不同而開啟或關閉音栓，若將踏板從最后（靠近演奏者方向）踩到最前，即音栓數由少到多，就能表現出從最弱到最強的一個漸強（Crescendo）過程，反之是漸弱（Diminuendo）。

由于音樂的變化自巴洛克后期便開始逐漸豐富，這就使演奏者的右腳在演奏時需長時間操控音量踏板。為了順應這種發展方向，現代電子管風琴的音量踏板上裝配兩個踏板開關（Foot Switch），使右腳在不離開踏板的情況下進行存儲（Memory）或注冊（Regist，俗稱“道”）的轉換以及上文提到的左踏板開關的操作。表情踏板與音量踏板不同，其觸感與功能類似于彎音輪（Pitch Bend），松開后會自動回歸平衡位置，除改變音高外還可以設定改變速度。

在演奏電子管風琴時，腳會演奏相應的低聲部旋律，而如果雙手演奏鋼琴聲部，有時會需要用到延音的功能，這時膝控開關（Knee Switch，見圖12）便開始發揮作用。打開膝控開關的延音功能后，將膝控開關推下，再用膝蓋持續壓迫即可使其發揮延音功能。除此之外，膝控開關還可以實現控制上鍵盤（Upper Keyboard）Lead 2組音色的獨奏、各聲部的滑音開關等功能。

5 更多技術的融合及展望

雅馬哈電子管風琴在編輯音色時有一個便捷的音色群組復制功能，即將不同Memory、不同聲部之間的音色進行復制。新型的STAGEA 02系列將每個Regist中的16個Memory擴充到了80個，并分為5個Bank，且將Regist的概念換為Unit，所以現在有”1 Unit=16 Memory × 5 Bank”。這就在一定程度上解決了老型號中Regist切換時加載時間過長的問題。遺憾的是，現在還不能跨Bank進行音色群組的復制，一旦跨Bank的復制，就相當于把整個Bank的16個Memory全部復制過去，而不能把Bank B中Memory 1的Upper Voice 1復制到Bank A中Memory 6的Lower Voice 1上。也許雅馬哈考慮的是避免操作失誤（一整個Bank的音色被抹掉）所帶來的損失，不過未來會不會提供讓用戶在設置中自行選擇這一功能呢？

Wi-Fi是時下較熱門的通信技術，市面上不乏高質量的Wi-Fi音響設備。電子管風琴是否也可以運用此技術，通過Wi-Fi傳遞音頻信號，從而將笨重的揚聲器與琴體剝離，達到方便搬運的目的呢？

社交類應用程序與云技術的應用亦是時下熱門的通信與資源共享技術，新型的ELS-02系列既然具備了用戶自訂音色的功能。未來能否更開放一些，通過琴上的“INTERNET”鍵來與朋友分享自己獨門秘方調制出來的音色或靈感迸發時所創作出來的作品呢？一些小眾的音樂風格會不會就此得以發展呢？

圖11 音量踏板和表情踏板

圖12 膝控開關

人機交互融合了多種技術的應用，觸摸、語音、體感等依舊是人機交互的初步階段。未來的電子管風琴能否實現不斷優化學習的功能，當演奏者觀看屏幕時，屏幕也可反觀演奏者，了解人的狀態，進而做出相應調整呢？比如依演奏者的體型改變琴凳高度，依演奏者的腿部力量改變腳鍵盤的阻尼與剛性程度；甚至觀測人體的健康狀況，與音樂治療專業相結合，給出需要演奏何種類型曲目或對音樂細節處理的建議。

（編輯 杜 青）

Past and Present of Electronic Organ Technology

HU Xiao-yang
(Music Department of Science and Technology, China Conservatory of Music, Beijing 100101, China)

Based on the part of the electronic organ which includes audio sources keyboard, sequencer, peripheral controllers, etc., the author describes the technical characteristics of each development period and the main function, and prospects for the future.

electronic organ; audio source; sequencer; controller; outlook

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.05.002