笛膜的不同蒙制方法对竹笛音色的影响
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作者:邵国瑞
[摘要]以竹笛笛膜为研究对象，运用音乐声学测量手段，从竹笛的声学结构和发音原理出发，探讨不同蒙制方法下的笛膜对竹笛音色的影响，为竹笛笛膜的制作和改良提供一定的依据和方向。
[关键词]竹笛;笛膜;蒙制方法;音乐声学;声学结构;发音原理;音色分析
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.11.014
竹笛是汉族的一种古老乐器，也是最具民族特色的代表性吹奏乐器之一。竹笛常用于中国民间音乐、中国民族管弦乐队、戏曲和现代音乐中。在中国民族管弦乐队中，竹笛是一种非常重要的吹管乐器，是民族吹管乐器的代表。
中国竹笛有别于西方长笛的一个鲜明特点是竹笛的膜振动。竹笛上开有一个笛膜孔，用于粘贴笛膜，笛膜孔的位置位于竹笛的吹孔和按音孔中间（如以吹孔到第六按音孔为距离，笛膜孔位置大约在距离的1/3处）。由于笛膜的存在，竹笛的音色在更加悦耳清脆的同时，也更具穿透力。竹笛的膜振动带来的高频成分是竹笛音色最具特色的音响特征。
不同的笛膜会带来不同的音色，因为不同笛膜的物理材料性能不同。笛膜材料的面密度、弹性模量对笛膜的共振频率起到决定性作用。材料越厚，张力越低，共振频率就越低;材料越薄，张力越大，共振频率就越高。常见的笛膜材料有羊肠膜、竹膜、苇膜。其次，同一种膜的粘贴方式对笛膜的共振频率起到重要的调整作用，如紧贴、松贴、横贴、竖贴等，都会对音色甚至音高、音量产生影响。
本文以竹笛笛膜为研究对象，通过音乐声学测量手段，从竹笛笛膜的不同蒙制方法和声学原理出发，阐述竹笛笛膜的声学特性，并进一步探讨不同蒙制方法下的笛膜对竹笛音色的影响，试图为竹笛笛膜的制作和改进提供一定的依据和方向。
1竹笛的声学结构
从音乐声学的角度来看，一件完备的乐器可分解为以下四个基本部分。
1.1振动体——边棱音与空气柱
对吹管乐器而言，一般都有两个振动体。第一振动体是最初振动的物体，如簧片、空气漩流、嘴唇等;第二振动体则是由第一振动体所引发、形成的管内空气柱。竹笛的振动体为边棱音和空气柱。
1.2激励体——口中喷出的气流
激励体是所有乐器发声的必备条件之一，再简单的乐器也不能缺少这个结构，否则根本无法发声。激励体为乐器发声的源头，如果没有激励体，振动就不复存在。演奏者通过嘴唇将气流吹入竹笛的吹孔内，口中喷出的气流即为竹笛的激励体。
1.3共鸣体——空气柱
管乐器和弦乐器的共鸣体有着本质性的区别。弦乐器的共鸣体不会影响琴弦的振动频率，即使材料不同、力度不同，振动频率也不会变，变的只是音色。在气鸣乐器中，共鸣体决定音高。而弦乐器中，振动体决定音高。
竹笛看似结构简单，但也有“耦合”情况。当激励声源的振动激发起空气柱振动时，二者在振动频率上会发生相互调制，这一调制过程就称之为耦合。竹笛作为边棱音振动的管乐器，激励体——口中喷出的气流所起的主要作用是充分振动笛管内的空气柱，当它激起空气柱发生振动时，二者在振动频率上存在耦合现象。
1.4调控装置——指孔、笛塞、铜套、笛膜
以常见的传统竹笛（梆笛、曲笛）为例，笛管上开有六个椭圆形的小孔，即指孔。通过手指作用于指孔对其进行开放与闭合，从而改变空气柱的长度而产生不同音高。
笛塞，竹笛的吹孔左侧0.5cm～3cm处有竹笛的笛塞，通过调节笛塞到吹孔的距离，改变空气柱长度，从而对竹笛的音高进行微调。
铜套（也有人称为插口）位置在竹笛笛管的中间部分，通过往外拉伸和向内插入铜套，改变竹笛空气柱的整体长度，从而改变整体音高。
竹笛的调控装置中，最具特色的是竹笛的笛膜，笛管内振动体振动会引起笛膜共振，从而产生高频成分（一般在2000Hz以上）。需要注意的是，在不同的湿度环境下，竹笛笛膜的状态会发生变化。空气的干燥或湿润程度将直接作用于笛膜，干燥的空气会引起笛膜紧绷，弹性降低，进而影响竹笛音色。例如，当雨天過后竹笛音色往往较为清脆，而当长时间无降雨空气极为干燥时，则较难吹奏出理想的音色。
2竹笛的发音原理
管弦乐队分类法中，将竹笛归为管乐器中的木管乐器。在萨克斯一霍恩博斯特尔分类法中，竹笛属于气鸣乐器中的边棱音类乐器。
竹笛的发声过程看似十分简单，实则较为复杂。首先，由演奏者通过嘴唇将气息发出;接着，调整口风的大小和位置，将气息吹入吹孔，在吹孔中形成竹笛的激励体;随后，激励体进入竹笛的笛管内，激发竹笛的振动体，由振动体振动发出声音;再通过竹笛的共鸣体共鸣，使竹笛的音高发生变化;最后，通过竹笛的调控装置调控竹笛的音色。
细分的话，演奏者口中喷出的气流既是激励体，又是第一振动体。首先，口中喷出的气流在没有打到边棱音之前是激励体，当气流打到边棱上产生振动的时候就变成振动体，振动体振动的时候先引起空气柱产生共振，所以空气柱也是一个第二振动体，但同时它会把声音和边棱音形成耦合，又变成一个共鸣体，所以空气柱既是振动体又是共鸣体。
竹笛的振动体、激励体、共鸣体、调控装置，是竹笛在音乐声学角度上的四个基本构成部分。从音乐声学角度对竹笛的各个部件加以分析、归纳，可以发现影响竹笛发声的关键要素，并能够对竹笛有更加深入的了解。
3笛膜的不同蒙制方法对竹笛音色的影响
3.1笛膜的采集
日常演奏的竹笛所用的笛膜，一般是“苇膜”，即来自芦苇内壁的薄膜。“苇膜”在纯天然的芦苇内部生长，“苇膜”的采集对芦苇的生长季节以及芦苇生长的地理环境要求十分严格。
在芦苇的生长季节方面，一般是在二十四节气中的“小满”前十天左右前往采集，此时“苇膜”的质量处于最佳状态。在小满前十天左右，温度大约处于20℃～25℃，选择芦苇的高度以1650mm～1800mm为最佳。如果采集时间远远未到小满，采集到的“苇膜”便太嫩，手感较软且薄透，透明度过高。如果竹笛演奏者在演奏中使用过嫩的笛膜，因笛膜过于薄透，透明度过高，演奏中十分容易破裂。而超过小满时前往采集，采集到的“苇膜”则较老，手感较硬且厚实，膜上略带有白色絮状物，透明度较低。如果竹笛演奏者在演奏中使用过老的笛膜，因笛膜已不具备弹陛，竹笛在发音和振动上会显得较为迟钝。在芦苇生长的地理环境方面，浅水地带和靠近水边的地理环境为最佳，背阴的为最佳。 日常生活中，竹笛演奏者大多数是前往商店采购，购买时需注意笛膜的透明程度、薄厚程度以及笛膜的色泽程度等，其中较柔软、具备弹性、透明且薄的笛膜为最佳。
另外，在笛膜的日常保存方面，不宜将笛膜长时间放置于空气中，否则容易变质，应将笛膜放置于避光阴凉处保存。
3.2笛膜的膜振动
在笛膜的蒙制方法方面，笛膜厚薄度不同，粘贴笛膜的松紧度、横竖方式不同，都会对竹笛音色产生非常大的影响。笛膜虽然大多数为多边形，但膜振动方式都是以圆形为基础。理想圆形膜的频率公式为：
公式中，m是径向节线数量，n是轴向节线数量，α是膜半径，T是膜张力，α是膜密度，β是贝塞尔函数值。
通过公式可以看出，膜的振动频率与张力成正比，与半径和膜密度成反比。当演奏者采用较厚的笛膜时，面密度增加，共振频率变低，所以竹笛的音色比较沉闷、结实。当演奏者采用较薄的笛膜时，面密度减小，共振频率变高，所以竹笛的音色比较响亮、清脆。
3.3竹笛音色分析
针对笛膜的不同蒙制方法，例如改变笛膜的厚薄程度、采用不同的粘贴方式等对竹笛音色进行分析，采用的分析方式主要分为两个部分。首先是对竹笛声音采样的音频用GMAs软件（《通用音乐分析系统》）进行频谱分析，其次是主观听觉分析。竹笛音色采样中，通过演奏员演奏采样竹笛的声音，分析在笛膜的不同蒙制方法下频谱发生的变化，并结合主观听觉分析得出结论。
3.3.1笛膜的厚薄度对音色的影响
以下分别对贴有较厚笛膜、较薄笛膜的同一支竹笛进行声音采样，实验中选用的笛膜均来源于网上商店，品牌为百花。粘贴方法与力度均保持一致，松紧程度通过手感尽量控制相同的紧张度。其中较厚笛膜称为笛膜α，较薄笛膜称为笛膜b，通过触摸笛膜手感以及目测笛膜厚度，发现笛膜b要明显薄于笛膜a。随后分别对贴有笛膜a和笛膜b的竹笛进行声音采样，通过观察频谱，可以在一定程度上分析出粘贴笛膜厚薄度与竹笛发声的关联陛。
首先，在频谱分析中，在同一支竹笛上，通过选用笛膜a与笛膜b两种笛膜，并对贴有笛膜。和笛膜b的竹笛进行音频采集（图1～图6）。通过分析可以看出，在两种竹笛声音采样的频谱中，贴有笛膜b的竹笛频谱谐音明显较为丰富。其次，在主观听觉中，贴有笛膜a的竹笛音色听起来较为单薄，而贴有笛膜b的竹笛音色听起来较为饱满。由此得知，当竹笛笛膜的厚薄程度发生变化时，笛膜的面密度同时改变，也改变了笛膜的共振频率，最终使竹笛音色发生变化。
3.3.2笛膜粘贴的松紧度对音色的影响
除了采用的笛膜厚薄度不同会对竹笛音色产生影响外，粘贴笛膜的松紧度不同，也会对竹笛音色产生非常大的影响。当笛膜粘贴得较为松垮时，竹笛的音色比较响亮;当笛膜粘贴得较为紧缩时，竹笛的音色比较沉闷。
以下分别对粘贴有较松笛膜、较紧笛膜的同一支竹笛进行声音采样，通过触摸笛膜手感以及目测笛膜厚度，选用厚薄程度近似的笛膜，所选笛膜面积与直径一致，力度一致。通过较紧与较松两种粘贴方法，笛膜伸张程度不同，其中较紧笛膜称为笛膜c，较松笛膜称为笛膜d。通过测量，粘贴笛膜c比粘贴笛膜d时，笛膜伸张程度大约多出0.5mm。通过观察频谱，可以在一定程度上分析出粘贴笛膜松紧度与竹笛发声的关联性。
首先，在频谱分析中，在同一支竹笛上，通过改变笛膜的粘贴方法，并对贴有不同松紧程度笛膜的竹笛进行音频采集（图7～图12）。通过分析可以看出，在两种竹笛声音采样的频谱中，贴有笛膜d的竹笛频谱谐音明显较为丰富。其次，在主观听觉中，贴有笛膜d的竹笛音色听起来较为响亮，而贴有笛膜c的竹笛音色听起来较为沉闷。由此得知，当竹笛粘贴笛膜的松紧程度发生变化时，笛膜的共振频率同时改变，也改变了谐音的能量分布，最终使竹笛音色发生变化。
3.3.3笛膜的粘贴方式对音色的影响
除了采用的笛膜厚薄度、粘贴笛膜的松紧度不同会对竹笛音色产生影响外，粘贴笛膜的方式不同，例如横贴、竖贴，也会对竹笛音色产生较大影响。横贴指的是将笛膜自身的条纹与竹笛自身的纹路形成垂直状态;竖贴指的是使笛膜的纹路与竹笛自身的纹路形成平行状态。
以下分别对笛膜粘贴方式为横贴、竖贴的同一支竹笛进行声音采样，通过触摸笛膜手感以及目测笛膜厚度，选用厚薄程度近似的笛膜，松紧程度通过手感尽量控制相同的紧张度。所选笛膜面积与直径一致，力度均一致。横贴笛膜称为笛膜e，竖贴笛膜称为笛膜f，通过观察频谱，可以在一定程度上分析出粘贴笛膜方式与竹笛发声的关联性。
首先，在频谱分析中，在同一支竹笛上，通过改变笛膜的粘贴方式，并对横贴、竖贴笛膜的竹笛进行音频采集（图13～图18）。通过分析可以看出，贴有笛膜f的竹笛频谱谐音明显较为丰富。其次，在主观听觉中，贴有笛膜f的竹笛音色听起来较为清脆，而贴有笛膜e的竹笛音色听起来较为低沉。由此得知，当竹笛粘贴笛膜的方式不同时，笛膜的共振频率发生一定的变化，也改变了谐音的能量分布，最终使竹笛音色发生变化。
综上所述，当采用较厚的笛膜时，面密度增加，共振频率变低，所以竹笛的音色比较沉闷。当采用较薄的笛膜时，面密度减小，共振频率变高，所以竹笛的音色比较清脆。当采用横贴方式蒙制笛膜时，共振频率较低，比较容易控制，适合竹笛初学者。当采用竖贴方式蒙制笛膜时，共振频率较高，音质清脆，多被专业演奏者使用。当笛膜粘贴松紧程度较紧的时候，谐音列较少，没有太大的穿刺力，可以用作伴奏或用于乐队合奏，同时也适合演奏一些北方风格的乐曲，例如《五梆子》《喜相逢》等。当笛膜粘贴松紧程度较松的时候，谐音列较为丰富，竹笛所具有的独特音色会表现得十分明显，适合演奏一些南方风格的乐曲，例如《鹧鸪飞》《欢乐歌》等。当笛膜粘贴程度紧到一定程度时，如笛膜伸张的距离超过2mm，笛膜会破裂或产生类似于胶带的效果，笛膜的作用也就丧失了。当笛膜粘贴程度松到一定程度时，如笛膜伸张的距离减小2mm，整个笛膜会失去共振，连乐音也产生不了，无法构成频率的振动。
4结语
笛膜的不同蒙制方法对竹笛音色的影响十分明显，竹笛演奏员在演奏中，需要充分考虑到使用不同蒙制方法下的笛膜所造成的音色变化。不仅是竹笛，任何一种乐器都带有乐器本身所具备的个性音色，要使乐器发出动听的声音，不仅需要演奏技巧的表现，更重要的是了解乐器本身的物理因素。本文探讨不同蒙制方法下的笛膜对竹笛音色的影响，希望能够为今后竹笛笛膜的制作和改进提供一定的依据和方向。
作者简介
邵国瑞，济南大学音乐学院2017级硕士研究生，研究方向为音乐科技与应用。参与完成国家艺术基金2019年度艺术人才培养资助项目《山东菏泽弦索乐表演人才培養》。
（编辑：王芳）
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