3D樂譜理論支持下音色可視化調節器機理研究

一、引言

隨著作曲技術的發展，五線譜已經不能完全滿足創作和記譜的要求，因此人們對新記譜方式的追求一直沒有停止過。音樂可視化是以視覺為核心并運用音樂載體進行有效銜接，借助多媒體的傳播形式，利用畫面來詮釋和傳播音樂內容，打造視聽結合的傳播方式。最近兩年發展起來的高維樂譜，如3D樂譜等就是基于現代科技概念基礎上的新樂譜形式，具有直觀、簡約和人機共享等特性。隨著科技的不斷進步，人們對樂譜的需求也越來越表現出高維化，特別是智能表演機器人會更樂于接受高維樂譜。

以全新的3D樂譜為載體，探索全新的音樂創作技法，在原二維譜創作基礎上，開創基于人類情感與作曲技術為先導的、又能為智能機器讀懂的人機共享的音樂創作新格局。通過構建3D樂譜理論基礎，提升其記錄、分析和創作音樂的三大功能，研究促進其在音樂各領域的應用和推廣，配置相關軟件及數據庫，確信這一原創性的發明創造將會掀起音樂科技浪潮。用3D形態來展示作曲家所要真正表達的情感豐富的音樂，從而使分析與研究也變得更形象化、趣味化，也更易于破解音樂發展規律和結構密碼，給出一套全新的作曲技法——用3D圖形來創作新的音樂。對多聲部音樂提出全新的三維音樂層次分析，建立分層概念后分析出的音樂圖形，也會從視覺上為演奏者和聽眾提供更多清晰明了、易懂易記的圖形化分析結果，促進音樂教育的普及，推動新型作曲技術的產生。在二維譜基礎上建構3D樂譜理論，創設三維坐標體系（H，T，Ti），即以（音高、音長、音色）為三個坐標軸的笛卡爾坐標體系。Ti軸向即音色序列增量方向，這里采用序列標準為音色GM國際統一標準，序列號定義為Ti軸向刻度，共128個度量單位。在3D樂譜（H，T，Ti）立體坐標系中的某一個點，即代表某一時刻某音樂的音高、音長以及該音樂在這一時刻的音色，這樣，過去在傳統樂譜中不能體現的音色概念在3D樂譜中都有所表現，可見音色變量的重要性，借此機理，下面詳細介紹音色可視化調節器的作用。

二、音色可視化調節器的設計方案

（一）通過改樂器腔體的有效尺寸來調整音色——以延伸式竹笛為例

樂器的發音體體積與材質決定了其固有振動頻率，直接影響著音高與音色。竹笛的發音體為竹質管體，管體長則音調低、音色厚重，管體短則音調高、音色清脆，管體的長度對音色與音高起到決定性的作用。如將竹笛以分立式結構設計，在需要音色作以改變時將竹笛發音體加長或縮短，以獲得所需音色與音高（圖1）。分立式結構即用于基本管體粗細程度基本相同的結構設計，附加于主要發音管體之上。分立式附加部分可長可短，材質可以與主要發音體相同，也可以不同，兩端以螺旋結構與主體部分連接。附加之后的竹笛發音體體積變大，振動頻率隨之改變，音色厚重圓潤。相反將分立式結構設計的竹笛附加部分拆掉，則會造成竹笛發音體體積縮小，音色清透尖銳。

圖1 竹笛分立式結構音色調節裝置

分立式結構的運用使竹笛的音色得到了大大的擴展，在不同的音樂表現中可以自如轉換，延伸了音樂情感的表達，擴大了音樂的表現范圍。

（二）通過改變樂器腔體材料的有效屬性來調整音色——以點陣式大提琴為例

點陣式大提琴是一種新型樂器（圖2），其材料選擇、結構設計、音色效果以及應用范圍與傳統樂器有一定的差別。通過在音板上鑲嵌八塊不同材質、可拆卸互換位置的音質補償陣列，使琴體固有振動頻率產生不同的變化，以達到泛音共補、美化音色的目的。在保證主聲學元振動的前提下，八塊輔聲學元通過音質補償陣列的調整功能可以使點陣式大提琴產生不同的音色，比如調整不同材質補償陣列的空間坐標組合，可得到獨特的音色，對于樂隊音色需要賦予更多的靈活性。對于點陣式大提琴音質補償陣列的研究，既有助于新樂器音色的提升，又增強了對音色微變化的直觀理解，尤其在教學中能讓學生更多地從直觀角度去理解樂器音色在科學調整下的不斷變化，對日常教學演示起到輔助作用。

點陣式大提琴的設計理念是建立在橋琴、合琴基礎之上，既突出了音色補償功能，又方便了教學需要。基于多元共振以及輔聲學元音質補償陣列在本文中的特殊設計構思，對于把點陣式大提琴加入到我國民族交響樂隊中，用以改善民族交響樂隊低音聲部的音效會起到有益的、積極的作用效果。在不同樂器獨奏與協奏中，民族弓弦樂器由于受到音域等問題的限制，一般在改變樂器音色的手段中通常采用臨時更換樂器以達到預期的音色效果。對點陣式大提琴來說可以根據對樂曲的需求來選擇安裝相適應的輔聲學元，由此滿足對樂曲演奏的協調性和連續性。

圖2 點陣式大提琴的外觀結構

說到音質補償，即是運用樂器材質和構造上的不同組合與搭配，來改變各中心頻率的增益從而改變音質，通過調試使點陣式大提琴在音質補償陣列共振共鳴的作用下使音域變寬，由于樂器音色的區域性強，低頻音色低沉、渾厚有力，中頻音色明亮、優美、柔和，高頻音色穿透力強、色彩豐富、聲音更有辨識度、更和諧。在獨奏以及與交響樂隊齊奏時，這些音色特征能夠完成各聲部的音色要求。

在點陣式大提琴的面板上，由于輔聲學元的設計可以直觀觸及，用在音樂教學中，用各種材料選擇和搭配的輔聲學元可以讓學生直接感受到音色的不同，進而對“音色”這個概念有更深刻的記憶。音色不同，樂曲表現出來的情感也不一樣，由此可以幫助學生對音樂有更好的理解，對受音樂的啟發和進一步的學習都會起到積極的作用。對點陣式大提琴以及橋琴和合琴的研究不僅僅是研究樂器聲學振動單元的學理內容，更重要的是將抽象概念直觀化、可視化，是“思考一下變成試驗一下”的躍升過程。點陣式大提琴的音色色彩豐富、可塑性強，因此在獨奏時可以有多種音色選擇，更能貼合音樂作品的意境，同時也豐富了樂隊的音樂色彩。

三、結語

1. 3D樂譜理論屬于高維藝術的基礎理論部分，既有開拓性、原創性、創新性和集成性價值，又有文理交叉特征的綜合性、前沿性和復雜性的跨學科特點。既能夠有效推動新興學科及交叉學科的創新發展，又能夠產生具有重要學術創新價值的標志性成果。呈現在3D立體圖形的樂譜中，創造與之配套的新理論來分析音樂內容。用新的原則、新的模式、新的視野，對音樂做出新的詮釋，推動音樂研究方法和思想的更新，在繼承、比較、融合和實踐中展示創新。

2.聽音色變成看音色，增加了音色的可視化效果。增強了聯覺體味，有利于對音色量的物理意義的理解，提高了課堂教學效果。為尋找優美音色的發聲體指明了方向，可增添新的配器，豐富了音樂內涵。音色可視化調節器可進一步分為：連續式調節以連續改變樂器主腔體有效尺寸的方式進行調節;分立式音色調節，以點陣式大提琴、吹管樂器竹笛的不同尺寸加長等為典型;兩種方式兼而有之的調節器，使音色的變化更炫酷。

3.為音色GM國際統一標準的擴充做了必要的準備，為3D樂譜架構中的三維坐標系中的Ti軸向增加了新的刻度，甚至是連續變化，為音色制定中國標準。壓縮了MIDI音樂的粗放，豐富了參數，使電子音樂變得更加細膩。

本文系國家社會科學基金后期資助重點項目“AI輔助下音樂高維化全景設計”（20FYSA003）研究成果。

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