浅析钢琴延音踏板的影响

田果

【摘 要】本文介绍了钢琴延音踏板，并通过数据来分析延音踏板的主要效果和主要特点。延音踏板的作用是延长琴弦振动的时间，也就是说用来延长声音并且起到保留钢琴声音的作用。但在低音和高音的不同情况下，延音踏板所起到的作用会有所不同。本文测量了钢琴声调在踩下踏板和未踩下踏板时的振幅摆动频率，以用来观测衰减的幅度和效果。研究发现，使用延音踏板会导致两个阶段音色的衰变和失真。

【关键词】钢琴;延音踏板

中图分类号：J624.1       文獻标志码：A              文章编号：1007-0125（2020）22-0085-02

现代钢琴中，总共有三个踏板，极少出现只有两个踏板的，右踏板始终是作为“延音踏板”，它的作用是延长琴弦振动的时间，并且让弦与弦之间产生“振动耦合”，从而产生振动。左踏板被称为“柔音踏板”，其作用是让发出的声音更柔和，使音色具有抒情的感觉。中间踏板的用途根据钢琴的不同而有所不同，它可以是低音维持踏板，也可以是练习踏板，它可以软化钢琴的声音。其中，延音踏板运用得比较广泛。延音踏板主要有两个作用：首先，它充当“额外的手指”，也就是说，在任何指法都不可能不让演奏断掉的情况下，它使音色保留并且产生连续的感觉;其次，因为所有的弦都可以产生振动，所以延音踏板使得音调得到了丰富。在使用延音踏板的时候，需要手和脚同步进行，而且延音踏板的使用时间受演奏拍子的影响。本文通过数据分析，提供有关延音踏板效果的数据和信息。

一、实验简介

为了研究延音踏板在踩着和没有踩着的时候钢琴音色的特征，笔者在网上找到了一个用来分析钢琴音色的录音实验。该实验的实验地点在大型录音棚里，实验的对象分别是钢琴演奏时低音、中音和高音在有踏板支撑时的音色和没有踏板支撑时的音色。这个录音实验于2006年2月在芬兰赫尔辛基的名为“Finnvox”的录音室里进行，钢琴为雅马哈三角钢琴，序列号为3070800。

笔者在进行该录音实验时，专业音频的麦克风Danish Pro Audio 4041置于钢琴上方32厘米处，左右声道的麦克风分别位于距钢琴左右末端80厘米和71厘米处，可以更好地降低噪音。在整个实验过程中，麦克风位置保持不变。实验的目的是分析踏板的效果并收集处理合成之后的准确信息。实验开始之后，首先在没有延音踏板的情况下，分别演奏了低音、中音和高音，然后在踩下延音踏板的情况下，以相同方式演奏了低音、中音和高音。最后从中选择了5组数据来进行对比分析。在整个实验过程中，为了尽可能保证所有的条件不变，笔者选用了17个0.5kg的硬币，串在一起，这就形成了统一的重量。比如对于最高的音域，也就是钢琴最上面的那个键，要保证每次按下琴键时使用相同的力度并发出同样大小的声音，这就需要利用到笔者准备的硬币。

二、数据分析

为了展示笔者实验与“芬兰实验”的不同，笔者找到了他们当时的实验数据，也就是图1。图1中（b）清楚地展示了，在相同条件下，使用延音踏板所产生的振动情况。图1（a）、图1（b）展示了C4这个音的不同频率图，从中可以看出，当使用延音踏板的时候，频率图很明显地多出了一部分。图1（c）则是用傅里叶变换转化出来的频率对比图。

在本文这一部分中，笔者将借助信号分析来展示踏板的影响。首先，从踩和不踩延音踏板的录音中提取单音部分，分析踏板的效果，对数据进行精确到秒的比较。

（一）部分提取分析

记录下来的数据信号通过滤波和提取单个踩着和不踩着踏板的音色来进行分析。一般来说，有三个特征：初始水平特征、音色衰退的时间特征和振幅跳动特征。它们之间可能存在差异。这些特征是基于图2所列的五个声调例子进行研究的，图中体现了它们的基础频率和偏差音系数。这些参数可以通过手动计算或使用一些特定的音调算法来估算，例如Galembo和Askenfelt提出的偏差音滤波方法。在这个实验中，研究员是使用一个简单的基于峰值选取技术的演算算法来评估实际音调的基础频率和偏差音系数。在该算法中，钢琴音中的局部峰值可以在光谱中找到，并利用谐波分量的位置，可以将相应的频率评估出来。理论上来说，用下面的计算公式可以计算出来：

（二）其中m是部分指数，fm是相对应的频率。通过求实际分频和理论分频之间的最小均方误差，然后带入到上述等式中可以得到最佳的B和f0的估算值，之后根据关键索引信息可以得出对这些参数的初始猜测。

（三）分析钢琴案例的时候，由于有两个阶段的衰减和上升，因而谐波表现出复杂的变化过程。为了获得音调衰减时间的近似值，用最小二乘法，将直线拟合到信号记录包络的前六秒。之后，根据拟合直线的斜率计算T60的估计值，即衰减到60dB所需的时间。然后，对与音调基础频率相对应的部分重复上述的步骤，直到得出结果。

（四）图3和图4列出了五个测试音的结果，分别给出了与基础频率相对应的各部分的总衰减率和分别衰减率，以及它们的初始水平。从图中可以看出，在使用延音踏板的情况下，尤其是在钢琴的中间音段，衰减时间通常更长;在高音区，衰减时间没有显著差异;而在低音区，总的衰减时间似乎略有减少，但第一部分的衰减时间随着延音踏板的使用而增加。一部分音的初始水平变化比较小，是在1dB内，这些变化通常很难听到，因为实在是太小了。在中间区域，由于二重态和三重态，弦的数量更多，中间弦和高音弦连接在同一个连接点上，导致更多的弦连接到周围的弦，很可能造成周围的一些弦与敲击键对应的弦互相干扰，所以当这些模块不被减音器所隔开时，已经弹奏的音调衰减时间会增加。在高音区，衰减时间不太可能增加，即使一个高音部分的频率与一些低音部分的频率几乎相同，但是因为谐波很少，所以高音并不能激发低音的能力。此外，高音弦又非常远离中间区域，所以更不会被干扰。

（五）从感性的角度来看，衰减时间增加与什么因素相关是一个更加复杂的问题。J?rvel?inen和Tolonen两位研究员给出了衰减参数的感知公差，并得出一系列的结论：如果衰减时间变化在75%到140%之间，则衰减时间变化显得不明显并且衰减非常轻微。尽管两位研究员所得出的感知公差是根据类似于吉他拨片的音调所确定的，但是可以感觉得出来，这个感知公差用来表明人在听到钢琴声音时，大脑对钢琴音调衰减过程的分析同样是不准确的。在这种情况下，衰减时间差似乎仅在音调为C4时才可以听到，因为T60踩下延音踏板时的衰减时间是原本T60衰减时间的161%。

（六）另一组实验所得到的结果是：与不使用延音踏板的情况相比，使用延音踏板按下琴键时的音调，两阶段衰减变得不那么明显。这个特性也是由于弦储存器的能量泄漏，它取决于连接点的导纳效果。

三、小结

本文分析了钢琴中延音踏板装置的作用。在物理上，踩下延音踏板可以提升减音器的效果，否则会阻挡弦所产生的共鸣。从数据分析中发现，当使用延音踏板时，剩余信号的能量会增加，因为弦储存器中允许自由振动。此外，当踩下延音踏板时，钢琴中音段的音调衰减时间会较长。但是，当声音是在低音区域和高音区域发出时，并没有观察到这种现象。也就是说在高音和低音区域使用延音踏板时，谐波的初始水平并没有产生实质性的变化，在所有研究情况下，观察到的变化保持在1dB以内。