amos：吉他反射性能的科学解析

    很久以前看过的一片东东。看了bigcat 和其他人的讨论，好不容易把它给翻出来。bigcat 该感谢我一下吧！我唯一的要求是当我以后去深圳的时候，不要请我吃饭！让我自己出钱好吧？

要点如下：

1、分贝归分贝，人耳听到的“音量”与之并不完全是一样东西；
2、不同频率的声波在空气中的attenuation 不一样；
3、人耳对高频声波更敏感；
4、分贝是所有频率声波的能量的总和；
5、名琴虽然“分贝”大不了多少，但频率分配更“合理”，换而言之能量集中在人耳的敏感范围；
6、projection 因此与吉他的形状，bracing pattern 等等有关。

Now you get it?

附上原文的exerpt (from acoustic guitar forum):

Pauline Leland:

I keep hearing about loud or volume vs. projection. I'm confused, a sound wave is a sound wave, how can one travel and the other suddenly attenuate? Or is there really a difference in sound volume (wave amplitude) from one guitar to another? Or is it the mix of high and low frequency waves? If the guitar had some kind of parabolic shape, I could understand the partial focusing and directing of sound waves, but they are all essentially the same. Help!

Richard Jernigan:

What follows is theory, based on a knowledge of physics and a fair amount of guitar playing.
First, consider the frequency content of the guitar's sound. High frequencies attenuate more rapidly than low. So given two guitars putting out the same number of watts of sound energy, the one that puts out more low frequency content will get more energy to the ear of the listener in the 20th row.

This seems counterintuitive. The reason is that the ear is more sensitive to frequencies around 2,000 Hz--about 2 1/2 octaves above A, first string fifth fret. So guitars with a strong 'presence' range project better than those without. The best projectors seem to combine a strong fundamental with a strong presence range. Thus a small guitar like a Torres or a Romanillos can project better than a larger one. It is louder to the distant listener, while it may not seem louder, or even as loud up close.

As to the focusing properties--sound waves in the vicinity of 2000 Hz are about six inches long in air. In the guitar top, they are shorter, so the top vibrates in sections at these frequencies, not all in one piece. The precise distribution of the vibrating sections could have an effect of focusing the 'presence region' frequencies into a narrow beam, or into a more diffuse pattern. There is some evidence of this difference in a couple of classical guitars I own, with different shapes and different bracing patterns. My two flamencos are very similar, except one is spruce and the other is cedar--their spatial patterns seem similar.

The effects of high-frequency attenuation in the air, and the ear's variation in sensitivity with freqency are well-studied and documented. Calculations are straightforward to perform. The effects of guitar shape and vibration patterns are much less documented, and calculations would be complex and computer-intensive. I am unaware of any sysematic computer modeling of the latter effects.

本贴由amos于2002年3月31日08:45:48在乐趣园〖古典吉他村论坛〗发表.

有种爱叫伤害：也说些，跟着AMOS一起抛砖引玉

    要点如下：

1、分贝归分贝，人耳听到的“音量”与之并不完全是一样东西；
实际人耳感觉到的是响度，再直接些，就是空气的振幅。但实际上一些优秀的琴并不是让你感觉“响”，而是泛音丰富，延音长，会有绕梁三日不去的感觉。在小的房间里，就有这样的感觉，而在大的地方或者音乐厅，可以在一定范围内的每个角落，都非常清晰的，没有什么损失的听到，声音跟在距离区别不是非常大。
2、不同频率的声波在空气中的attenuation 不一样；
其实更主要的决定琴发的声音的问题在于不同振动方式的波在空气中对于人耳的感知度会不同。
3、人耳对高频声波更敏感；
人耳并不是对越高频的声波就敏感的。最敏感的部分应该是100HZ——45KHZ，也因此，很多CD制作时母带数字化的时候，量化采样率使用的是44.1KHZ，也就是说高于这个频率的声音便当作44。1KHZ作为数字信号输出，如果做过波形非编的朋友一定很理解。
其实在实际的演奏中，越高频的，也就是越高的音，其对耳朵的响度敏锐性越差，也就是说，如果你弹了一个第7品封闭和弦，实际音量是相同的，但，站在你面前的人会觉得最高的音最轻。这不是谁的错，而是造物主的问题。因此，越是好琴，在高音方面越注意。一把琴要做高音比做低音难做。
也因为这个，我们演奏柱式和弦的时候要注意有意的将高音加点量，出来的才会是我们要的。
当然，低于20HZ的声音我们不可能演奏出来，生活中也几乎没有，但不是没有，有的话是非常危险的。因为OHZ-20HZ的声波其实属于亚音波，是具有破坏力的，曾经有艘船上的人全部死亡，后来调查发现是亚音波导致的。
4、分贝是所有频率声波的能量的总和；
但不是简单的线形和，也因此，我们会说有些琴的声音很“厚”，当一个琴的频率分布广，且曲线完美丰满，自然就会出很好的声音。
5、名琴虽然“分贝”大不了多少，但频率分配更“合理”，换而言之能量集中在人耳的敏感范围；
这个“分配”合理更重要的在名琴上体现在声音的层次清晰上，拨一个和弦，不会听到声音糊在一起，也不会听到声音各自为政。

很感谢AMOS给大家发出这样的帖子，来讨论，对这里的风气很有好处。所以我也来抛砖引玉

本贴由有种爱叫伤害于2002年3月31日10:47:45在乐趣园〖古典吉他村论坛〗发表.

lyangmao：偶也来块砖头，希望引出更多的玉。

    非常感谢amos兄和“有种爱叫伤害”兄的发言，让人很受启发。的确，不同的琴，不同的人演奏，听到不同的效果，其实就是声音的频率分布不同嘛。
对于强度相同的声音，人耳所感受到的响度是不同的，而且音高的听感于声音的强弱也是不同的。对于名琴以及演奏来说，好象一直都是强调说提高拨弦能量转化为声能的效率，这当然是提高音量的方式，而另外一方面，通过调整吉他的结构，使声音的频率分布适合“大音量”也的确是一个非常好的方法。
从人耳等响度曲线上来看，1KHz以下频率的声音是频率越高，另外在在3KHz到5KHz之间，人耳有一个最敏感的区域，不过还是敏感不过1000Hz以下的声音。吉他调整到标准音高时，1弦空弦音频率为330Hz，12品处不过是660Hz，所以在同等声音强度的情况下，当然感觉就是低音的音量要大一些。
另外有一点要略加更正，人耳可以感觉的频率范围是20Hz到20KHz。在数字音频领域，例如制作唱片时，采用44.1KHz的采样频率，是根据采样定律（shannon定律），如果把随事件变化的信号波形用该信号所含最高频率2倍的频率进行采样，就可以从采样值通过插补得到原信号的波形。因为人耳能够听到的最高频率为20KHz，那么2倍后就是40KHz，再加上一些余量，就使用了44.1KHz，更专业一些的DAT采用48KHz。但是也有人说高于20KHz频率的信号对人的听觉上也有影响，所以现在的DVD采样频率做到了96KHz，这样就可以正确回放48KHz的高频信号，而没有失真。

本贴由lyangmao于2002年3月31日23:29:14在乐趣园〖古典吉他村论坛〗发表.

bigcat：谢谢三位的帖子，都别客气，我这也有块砖头。

    谢谢三位的帖子，再送上我的砖一块：
这是困扰我多年的问题。谢谢AMOS兄的帖子及两位的跟贴，虽然还是疑问重重，但心里明朗多了。AMOS兄开了个好头，回头你来深圳，我当然要拒绝你“唯一的要求”了:)
那段英文细读之下，依然觉得有语焉不详或我理解不当的地方，原文要点和我的问题整理了列在下面。我的英文很差劲，有些术语不知该如何翻译，不当之处请指正。
1， 高频比低频衰减快。所以两把吉他发出同样能量的声波，则对于远处的听者来说，低频含量大的声波将包含更多能量。
（没有问题）
2， 耳朵对2k左右的声波较敏感，音高约相当于一弦五品A音上面2.5个八度。所以吉他如果包含上述频率附近的成分多一些的话，声音“投射性”（project）将会较好。所以象Torres 、Romanillos这样的小吉他，投射性比大吉他好，虽然音量不一定大，但在远处听起来更响。
（问题来了：2k在音频中属于中频范围，则小吉他包含2k左右中频成分较多，声音的远达性会较好。但按照第一条，低频含量大的声音远达性较好，则应该大吉他在远处更响才对？是否好的吉他是在寻求声音的空气衰减与人耳敏感的折衷？）
3， 关于会聚性（focusing properties），主要决定于2kHz左右的声波，在空气中波长约6英寸。在吉他顶部（面板？），尺寸较小，所以有部分在此频率附近振动，但并不是全部。这些振动部分的精确分布，可以使得2kHz频段声波聚集在较窄的带宽内，或者更加弥散的模式。我的两把吉他证明了这一点（他们的形状和支撑结构不同）。
（作者是否想表达：良好的吉他，其构造使得2kHz附近的频率能充分振动，因此可以得到良好的会聚性。这里所指的focusing properties与声音的远达性有何联系？）
4， 高频在空气中的衰减性能以及人耳对不同频率的敏感度已有很多文献记载，要计算也很容易。但吉他形状与振动模式的效果则很少有文献记载，计算起来会很复杂，我不知道有没有这方面的计算机数学模型。
（没有问题。不过，问题不一定象作者说的那么麻烦，因为我们并非要研究何种结构的吉他才能达到良好的远达性，那是吉他制作家的事。我们只需研究远达性背后的物理意义，何种声音的远达性较好。这只要对高档音乐会吉他做频谱分析和声场测量就可以了）

我完全同意“有种爱叫伤害”兄的观点，即人耳听到的音量与分贝是有区别的。实际上，声学中的响度和声级、声强即对应这些主观感觉，并且都是可以测量的。响度不单与分贝有关，也与频谱成分、背景声有关。举个简单例子，我们听音响时，如果音量开得太小，会觉得声音很单薄，开大了立刻丰满起来，这正是因为人耳对小信号的高、低频敏感度急剧下降，所以声学里有所谓等响度曲线，和所谓计权测量等等。甚至严格说来，音高也与音量有一定关系！
上述全部似乎可以归结为一条结论，好吉他是通过合理分配频率成分使得声音远达性较好的。没有问题。但是，我的迷惑依然没有解决：
1， 不管再怎么合理分配，一把吉他就是一把吉他，它的能量是相当有限的，就算把它的全部能量都集中在人耳最敏感且衰减性最小的频段内（2k左右？），也是有限的，又如何与交响乐队抗衡？敢问一句，现场版的阿兰胡埃斯真实效果与CD相比究竟如何？我在一张VCD里看到的阿兰胡埃斯，是一个很小规模的管弦乐队与吉他协奏，而不是我们通常所指的全编制的交响乐队。
2， 吉他最迷人的部分就是它的音色。如果片面强调远达性，加强某个特定频段的能量（姑且认为是2k吧），那它的音色会否受影响？即使这种制作技术可以提高远达性，那远处的音色和近处的音色将是不一样的（远处的声音将会很单薄），这样的远达性又有多大意义？换句话说，尽管塞戈维亚说了，他的吉他声可以传递到音乐会的每一个角落，但坐在前几排的听众听到的音乐会更美妙一些（姑且不讨论音乐厅对演奏效果的影响）。真实情况如何？如果买票的话，你会买前几排的还是后面的？
最后是我的一点看法：吉他确实是表现力非常丰富的乐器，非常适合作室内乐器或录音乐器，在表演具有亲切性质的室内乐曲方面极有效果，但音量小是其致命的弱点，它基本上不适合大场面、大主题。这也许是为什么十九世纪几乎所有的大作曲家都不约而同地忽略了吉他，真正有点影响的吉他协奏曲至今也就是一部阿兰胡埃斯的原因吧。直到进入二十世纪，录音技术取得革命性成就，才真正给了吉他第三次生命。不妨说，古典吉他世界要感谢爱迪生，感谢贝尔实验室，其次才是赛戈维亚（开玩笑了^_^）。

本贴由bigcat于2002年4月01日11:33:02在乐趣园〖古典吉他村论坛〗发表.