基于揚琴音色的計算機采樣技術探討

牛礬瓊（上海音樂學院，上海 200031）

引 言

在科學技術飛速發展的今天，AI人工智能技術已經在很多領域以更準確高效處理問題的方式取代了人力，而情感與審美則是人工智能望塵莫及的兩個無法超越人腦的方面。音樂創作和演奏正是這樣一項除了扎實的基本功和基礎知識以外，非常依賴情感與審美的工作。除了不斷努力提高自身的專業技能以外，拓展學科研究的交叉點，觸類旁通地促進自己專業發展的進程是當代音樂工作者應有的態度。而虛擬樂器的發展和計算機采樣技術的進步也許正為音樂工作者開啟科學的大門。將理性的聲音波形分析和感性的藝術表達相結合，能幫助職業演奏者進入更高的境界。不過虛擬樂器技術的發展也不是什么最新的前沿課題，當代編曲工作者已經在大量使用軟件音樂進行編曲，其中大名鼎鼎的Kong Audio廠商就制作了全套中國民族樂器的音色作品，當然也包括虛擬揚琴音色作品。但是這些音色在職業編曲者的流行古風作品中，都還是以渲染氣氛和音色點綴為主要功能，有時甚至成為鋼琴音色或其他鍵盤類樂器音色的拓展，而實際的演奏法和樂器音色最本源的特點，往往被使用者所忽視。此外，從揚琴獨奏者的角度出發研究，或者用虛擬樂器來回放具有一定難度和藝術價值的揚琴作品的嘗試幾乎是空白。但是這樣的研究又有著潛在的可能的巨大價值，它可以幫助一位獨奏者用更加具體化、參數化的標準來審視自己的演奏，評價自己演奏的嚴謹性。這也是筆者想致力研究的主要方向，筆者愿借本文分享對這一領域初步研究的階段性思考。

一、計算機采樣技術淺析

（一）計算機采樣技術

計算機采樣技術是真實樂器虛擬化的一個重要進程。在計算機音樂發展的早期，通過電腦來制作音樂所適用的音源都是通過合成算法模擬出來的，這樣的音色人性化程度較低，也不夠逼真，但是它不需要電腦有大容量的硬盤來儲存大量的音色樣本，也不需要很大的內存來準備隨時調用音色文件。不過隨著硬件拓展和軟件技術的發展，硬盤的存儲量和CPU的運算速度都有了大幅提升，當今的計算機音樂制作領域所使用的音源大部分為真實錄制的聲音文件，而不是通過合成器對波形進行塑造所創造出來的虛擬聲音。所以，雖然我們把這種技術稱之為虛擬樂器技術，但其實我們使用的已經是真實樂器本身實錄的音色了。

這種依次錄制樂器的不同音符以及同一個音符的不同力度或演奏法，把這些錄制好的音頻文件制作成音色文件，再到音序器軟件中進行回放，就是我們所說的采樣技術。

（二）計算機采樣技術的原理

當然我們可以用更通俗易懂的語言來描述采樣技術。試想一位音樂制作人在電腦前的MIDI鍵盤上演奏一份樂譜時，我們可以聽到另一件樂器演奏這段旋律所發出的聲音，制作人每按下一個琴鍵就相當于按下了一個播放鍵，軟件則會根據制作人按了哪一個琴鍵，用什么樣的力度按的，有沒有技法的相關信息等內容去播放一位演奏家在另一個時空內錄制的單個音符的文件。當這些不同力度、不同技法、不同高低的單個音符文件被依次播放的時候，我們便聽到了一條由這件樂器演奏的完整旋律了。所以與其說音樂制作人是在演奏MIDI鍵盤，倒不如說是在播放一個個采樣文件。

（三）計算機采樣的技術難點

初步了解了采樣技術的原理以后，我們可以進一步來體會采樣的技術難度到底有哪些。

正如上文提到的，我們的每一個音符隨時都準備被播放，這種播放是必須在電腦接收到MIDI信息的瞬間就實現的，而不是我們在電腦上打開一首歌那么簡單。當我們在電腦上打開一首音樂作品時，從我們按下播放鍵，到音頻開始被播放是會有讀取時間的，而這樣的時間差在音樂制作過程中是無法被接受的，因此當我要使用一個虛擬樂器，并希望通過自己的實時演奏來控制它的時候，就要求這個音色中所有的采樣，也就是那些音頻文件，或者我們也可以稱之為樣本文件都處于可以隨時被調用的狀態。換言之，就是這些文件都占用這電腦的內存。而越細膩真實的音色的樣本量就越大，對電腦的內存的要求也就越高。因此，采樣技術的第一個技術難點就是大量高品質的虛擬樂器同時調用時，對電腦的內存仍有較高的要求。

其次，有些樂器的演奏法比較單一，有些樂器則非常復雜。鋼琴雖貴為樂器之王，但是它的采樣復雜程度并不高，因為就一個音符而言，只有觸發和結束，因此錄制單個鋼琴音符的時候，我們只要考慮力度的大小就可以了。但弦樂則復雜得多，弓弦之間的接觸壓力，左手顫動的頻率幅度，從一個音符的開始到結束幾乎形成每一個瞬間的無窮無盡的變化，要把這些變化細膩地依次刻畫出來，再對應到相應的演奏法的控制信息中，其復雜程度可想而知。因此，雖然鋼琴的音域更寬，但其實弦樂類樂器如小提琴的采樣樣本可能要大得多，也復雜得多。

因此，在下文中，我們將結合揚琴的演奏技法和MIDI控制信息的關系來闡述一下，制作虛擬揚琴的過程中我們如何把樂器特點和計算機技術結合起來。

二、揚琴基礎音色與采樣策略

揚琴作為中國民族彈撥樂器組的成員，卻起源于波斯。這種中西合璧的特殊身份和它獨有的高貴血統，使它的音色既傳承了東方彈撥樂器“輕攏慢捻抹復挑”的豐富層次，又秉持了西方樂器音準穩定泛音豐富的特點。與鋼琴的內部結構相似的擊弦原理在注入了更多的演奏技法后形成了揚琴在彈撥樂中獨樹一幟的音色特點。

揚琴的琴體屬于框架結構，通過雙手持琴竹，敲擊琴弦，使之振動后，通過琴碼的傳導，引起面板和共鳴箱內的空氣共振而發出聲音，屬擊奏弦鳴類樂器[1]21。揚琴基礎音色的特點基于它的結構本身。

（一）揚琴基礎音色特點

1.顆粒狀

顆粒狀特點是所有的彈撥類樂器的共同特點。白居易在《琵琶行》中所描述的“大珠小珠落玉盤”，便是對這種顆粒狀的音色最唯美的描述。與其他彈撥類樂器不同的是，揚琴的顆粒狀音色是由噪音和樂音兩個部分組成。

噪音并非我們日常生活中理解的不好聽的聲音，在音樂理論研究領域，噪音是指沒有穩定振動頻率的音。在對揚琴音色的解析過程中，我們會發現，噪音是其重要的組成部分。這部分聲音來自琴竹與琴弦撞擊發出的聲音，這種聲音無關琴弦的振動，只發生在演奏開始的一瞬間。這種聲音樣本本身沒有音高，沒有固定的振動頻率，但它賦予了單個音符飽滿的音頭以及揚琴作為彈撥樂器和打擊樂器的混合特性中區別于其他彈撥樂器的特有的音響效果。

樂音是指最為人所熟悉的音色中的外顯部分，我們通過聽辨所判斷出來的揚琴的音高就來自于琴弦的振動。這部分音色擁有一個相對穩定的振動頻率。這個頻率通過敲擊觸發，然后振幅逐漸變小，直至停止振動，這個過程和鋼琴的原理非常相似。只是由復雜杠桿構成的擊弦器換成了執琴竹的雙手，使得敲擊更富有細膩的變化。

從物理意義上來說，我們可以看到，這類音色的波形的共同點，就是音頭的振幅較大，然后會以較短的時間，迅速衰減到較弱的水平，最后以較慢的速率結束振動，如圖1所示。

圖1.揚琴單個音符數字波形圖

與其他彈撥樂器相比，揚琴在延伸過程中的變化相對較少，如用手按壓琴碼的另一側來改變音高這樣的技巧，在揚琴中并不常見。因此其音色的復雜程度并沒有琵琶和古箏那么高。所以對于單個音符的采樣只要考慮從輕到響的力度變化就可以了。

2.頻響范圍

我們之所以還可以接受揚琴沒有踏板的狀態，這和揚琴音色自身的頻率特點有關。不同樂器演奏同一個音高時所產生的各個不同頻段的反應是不一樣的。例如我們可以讓大提琴在非常高的把位下演奏小提琴音區內的音符，但同樣的音符由小提琴來演奏聽起來會更加明亮。同樣我們可以讓女聲壓低聲線來演唱男生的音色，但那樣的音色會比男聲演唱時昏暗很多。所以每一個相同音高的振動頻率雖然都是相同的，但它們是各種不同頻率復雜疊加后的結果，同一個音高可能擁有完全不同的高、中、低頻的分配情況。揚琴雖然可以演奏音區較低的音符，但它的低頻并不是非常的豐沛。因此，即使在無法制音的情況下，中低頻的渾濁感仍然是可以被接受的。我們同樣可以比較一下同為民族彈撥樂器的古箏和琵琶在演奏標準音時的頻譜和揚琴的差別。如圖2、3、4所示。

圖2.揚琴演奏標準音的頻響范圍

圖3.琵琶演奏標準音的頻響范圍

圖4.古箏演奏標準音的頻響范圍

從以上的頻響范圍對比我們可以看出，在同樣演奏標準音的情況下，古箏擁有最豐富的低頻，琵琶的低頻最弱，揚琴的低頻介于兩者之間。揚琴的中高頻在5k之前是三個彈撥樂器中最豐富的，直到5k之后才略少于琵琶的高頻。

所以揚琴擁有較寬的頻段，在最低頻和最高頻的衰減表現得比較平滑。

（二）基礎音色的采樣策略

1.顆粒狀音色的采樣策略

如上所述，顆粒狀音色的主要特點是擁有振幅較大的音頭，伴隨快速衰減和較長的音尾，所以對于樣本錄制要保留音頭的沖擊力，營造出音頭的沖擊力的頻率主要集中在中高頻。不同的電容話筒的頻響范圍不同，同一支話筒在錄制時，離聲源的遠近也會影響得到的樣本的高頻與低頻的比例。所以在記錄音頭的細節時，我們應該盡量選擇，高頻反應靈敏的話筒，放置在離擊弦點盡可能近的地方。但過大的沖擊力，也可能造成擺放較近的話筒的過載。這樣的問題我們可以通過掛壓縮器來解決，但在使用壓縮器之前，在過載和清晰記錄細節之間選擇平衡點，找到適中的距離和位置是至關重要的。其次是樣本的長度問題，樣本長度一定要延伸到余音在空間內完全消失后的一到兩秒。即使琴弦完全停止震動，錄制的空間內依然會有聲音反射衰減后留下的混響聲。因此，我們要為聲音樣本文件錄制留有足夠的長度，以保證使用時音色的逼真和自然。

2.頻響范圍的采樣策略

在與古箏、琵琶比較后，我們已經知道揚琴的音色覆蓋的頻率更寬，因此在采樣的過程中我們應該選擇頻響曲線較為平順，尤其在中、高頻反應更加靈敏的話筒。在話筒不變的情況下，縮短話筒與擊弦點之間的距離也可得到更多的高頻，來增加音色的亮度和穿透力。此外，對于錄制空間的選擇也非常重要。應盡可能避免空間內光滑平面之間的反射波形的疊加而產生的多余的低頻，這樣會導致音色的混濁。

三、演奏技法激發的多元音色呈現與采樣策略

揚琴的演奏技法非常豐富，不同的演奏技法會帶來獨特的音響特征，使音色產生更豐富細膩的變化。比如很多細膩的手指、手腕、手臂結合的技巧都可以轉化成若干個音符，以一定速率和力度方式的組合，衍生出有細微差別的音色。只是這類技巧過于瑣碎細膩，篇幅所限，不便單獨分析。本文僅以對音色變化產生明顯影響的較為常用的演奏技法為例加以闡述，說明一切演奏技法都是為了音色和旋律的完美呈現服務的，因此，由演奏技法帶來的音色變化也是采樣里不可忽視的部分。

（一）演奏技法與音色

1.擊弦、撥弦、音效類[1]21；32；39演奏技法

擊弦類中的正竹擊弦和反竹擊弦是高度近似的兩種演奏方式，只是由于使用了琴竹不同的部位擊弦而產生了不一樣的音色。輪竹，也就是我們通常所說的輪音，是采樣時所面臨的最復雜的一項揚琴技巧。我們若按照三十二分音符或六十四分音符甚至時值更小的大量單個音符的緊密觸發來還原輪音的話，那樣的輪音將及其缺乏人性化表達，甚至覺得那樣的聲音更像是電子警報器或是機槍的掃射，而非揚琴的演奏。這是因為揚琴輪音過程中的左右手力度輕微的差別，和每一個音符間距的細微差別以及每一個顆粒在一定程度內的一致性之間的統一，構成了真正的輪音。加之輪音過程中的各種力度變化，就使得輪音成了采樣中最難面面俱到詳細刻畫的演奏技巧。

撥弦類中的琴竹尾部撥弦，對于揚琴來說，是一種借鑒其他民族彈撥樂的演奏手法，是豐富揚琴自身技法的一種重要音色組成。

音效類中的泛音是一種表達特定意境的演奏技法。作為構成揚琴音色的一部分，在豐富揚琴表達內容的完整性上有重要的意義。

2.延音與制音類[1]43演奏技法

制音類演奏技法是指對揚琴的延音進行有效的控制與運用。揚琴制作工藝的改革早就將制音系統視為可提升的重要工藝。隨著現代揚琴作品的不斷涌現，制音類技巧成了現代揚琴演奏中新的重要技法。關于制音問題，雖然同為彈撥樂，古箏、琵琶與揚琴的振動延伸的特性卻并不完全相同。

較之揚琴數以百計的琴弦，琵琶卻只有四根，它是靠左手的運動，按壓琴弦的不同位置來得到不同的音高的。這一點與吉他非常相似。因此琵琶在彈奏的過程中只會留下最近演奏過的若干音符的余音，一旦左手的手指離開琴弦，那個音符便不會繼續振動延伸了。另外，即使在左手不離開琴弦，讓某一個音符充分振動自由延伸到振動完全通過自然衰減而徹底消失，琵琶的衰減也比揚琴快得多。因為揚琴單個音的琴弦數量更多，更加穩定，而且有一個體積更大的共鳴腔體。

相比較而言，古箏的延伸狀態與揚琴更加相近，由于每根琴弦只負責一個音高（特殊技法對音高的改變除外），因此在演奏其他音符的時候，之前的音符都會得到充分的振動和衰減的時間。但是古箏的演奏依靠的是十根手指（實際演奏過程中經常只使用八根），而揚琴的演奏只依靠兩根琴竹；古箏的琴面面積又比揚琴小得多，所以古箏的制音非常方便；而且在演奏古箏過程中，演奏者很可能將手指提前擺放到即將演奏的琴弦上，這樣一來，已經下意識地停止了這根弦的振動從而起到了制音的作用。

因此，與同為民族彈撥樂器的琵琶和古箏比較，揚琴的制音能力是最弱的，但制音能力弱并非是樂器的缺陷，那種氣勢如虹，排山倒海般洶涌澎湃而出的音響，反而成為揚琴自身的重要特點。而且我們似乎也習慣了接收這一點點聲音上的渾濁，從另一個整體的聽覺角度去欣賞揚琴。

（二）針對演奏技法的采樣策略

1.話筒擺放與樣本采集

如上所述，揚琴的音色由擊弦、振動、共鳴三個部分組成，因此我們要對三個部分分別進行話筒的擺放。第一組話筒應放在貼近琴碼的位置來刻畫擊弦部分，或者甚至可以用夾式話筒，直接夾在琴碼上，這類話筒需要有很好的高頻相應能力，對低頻的要求并不高。第二組話筒應該放在兩排琴碼之間的琴弦上方來記錄琴弦的震動。第三組話筒，應該放在揚琴的底面指向琴身的出音孔。這部分話筒必須有較寬的頻響范圍，尤其在中低頻上要足夠細膩和溫暖。三組話筒之間的音量比例經過仔細的調試使得揚琴音色的各個組成部分更加協調。通過刻畫顆粒感的擊弦和表達音高的琴弦以及拓展共鳴的腔體的共同表達，就可以塑造出完整的揚琴音色。

完成了話筒的擺放和音色中的不同構成的各種內容的比例調試后，就可以按照這些特點來逐一采集我們需要的采樣了。首先是單個音符在一種演奏狀態下從輕到響的逐步記錄；然后依次更換演奏技法，將每一組演奏法中的每個音符都按從輕到響順序逐個記錄，就完成了音色庫樣本的采集。但是像輪竹這類個性化程度極高的音色，我們可以從輪竹密度、持續力度、漸強或漸弱以及強弱變化延伸的時間等維度考慮樣本的分配方案。

2.延音與制音的采樣策略

這里所說的延音，其實就是上文中提到的顆粒狀特點的振幅衰減部分，也就是我們通常所說的余音。這部分隨著揚琴制琴工藝的改良，已經發展成可以通過踏板人為控制的聲音效果了。因此，在采樣時，除了要客觀記錄那些從觸發一直衰減到震動完全停止的聲音樣本外，我們還要記錄下因制音而發生的聲音停止，這種停止并非聲音的消失，它還包括空氣聲以及錄制空間內的反射聲，同時還伴有踏板杠桿裝置中軸承的聲音以及制音器與琴弦撞擊或擠壓時發出的聲音，這些聲音本身雖然與音樂無關，但這些聲音記錄下了演奏者的動作細節，更完整地還原出演奏者演奏的狀態。

結 語

在對采樣技術的分析研究過程中，我們對揚琴音色進行了深入細致的分析，并以此為依據對計算機采樣提出了更高要求，從更加理性的數字化聲音樣本的角度對樂器音色特點構建了更加全面的認知。這樣的認知可以幫助一名演奏家更好地順應人工智能在樂器虛擬化進程中的發展趨勢，并幫助揚琴的演奏更好地被電子音樂表現出來。人工智能在虛擬樂器領域的發展是以理性的樣本分析為基礎的，但它最終還是要回歸感性，并尋求讓計算機像演奏家一樣演奏出富有情感和表現力的音樂的可能性。而作為一名演奏家在表達作品時一定是充滿情感的，研究和學習采樣技術和人工智能應用的發展是回歸理性的過程，但同時還要不斷追求自身的演奏所表達的藝術價值，追求演奏的不可取代性。正是這種以取代為目標的采樣技術的發展和以不可取代為目標的演奏家的藝術追求，以及理性和感性的互為回歸，造就了科技與藝術的共同繁榮發展。