論音色平衡度之謎及樂器頻譜秘探

發燒經

論音色平衡度之謎及樂器頻譜秘探

資深發燒友三句不離口，都強調音色平衡度的重要性，但三頻的正確的比例應該如何?  究竟是否應該有一個科學化的分析及理據呢?

人耳的可聞頻段(Audible Frequency) 是 20Hz (Hertz : 週 ) 至 20,000Hz， 超低及超高兩端較弱，一般對中高頻段 (High Mids)非常敏感、介乎 2,000 Hz – 5,000 Hz，當重播稍微感到刺耳的話，發燒友都會認為音質乾澀刺耳，緊張而不耐聽，缺乏應有的寬鬆感，這些不良困擾的音效一般被統稱為「起Peak」!!!

試問閣下去現場聽古典及爵士實況音樂演奏會時，你會感到刺耳難耐嗎 (除非你去紅館聽PA喇叭，那另當別論了) ? 

為什麼?  因為自然樂器原音所產生的泛音 (Overtone) 乃向上自然順暢伸延的，充滿著難以言喻，令人舒暢的和諧感 (Sense of Harmony)，又豈會產生不自然兼拮耳的峰値 (Peak) 呢?

基音、諧波、泛音

據國外一個 independent recording 網站透露，咱們平日所聽到的原音樂器 (Acoustic instrument) 的基音 (Fundamental Tone) ，均大多集中介乎超低音 (Sub-Bass 20Hz – 60Hz) 、中低頻 (60Hz – 250Hz) 及中頻 (260Hz – 2,000Hz)，除了長笛 (Flute) 、短笛 (Piccolo) 、豎琴 (Harp) 、管風琴 (Organ) 及 鋼琴 (Piano) 等樂器之外，大部份樂器的基音均不會超越 4,000 Hz，超過4,000Hz的均是由這些基音衍生的第一次或第二次的泛音，基音是該樂器最低的音，泛音只會以二倍、三倍、四倍等倍數向上遞升 (例如撥動豎琴上的一條弦，若最低的振動頻率是每秒28次 (28Hz) ，則其倍數振動頻率是 56Hz、84Hz、112Hz …….. 如此類推。

基音乃第一諧波 (Harmonics)，第二諧波等於第一泛音，如此類推往上伸延，而基音與泛音的相加合成就是樂器本身的音色 (Timbre) ，亦解釋到為何我們可以清楚分辨兩種不同樂器的音色，就算它們的基音都是相近的，例如雙簧管(Oboe)和長笛 (Flute)，都介乎230Hz – 250Hz。

樂器的頻譜分佈

根據頻譜分析及測量的結果，管風琴的基音頻率範圍是眾多樂器中最寬闊的(20Hz – 8,000Hz)，標準88鍵的鋼琴次之(25Hz – 16,500 Hz)，結他 (80Hz – 1,250Hz, 泛音直上 5,200Hz), 小提琴 (200Hz – 1,250Hz，泛音直上 16,000Hz), 中提琴 (125Hz – 1,000Hz，泛音直上 6,300Hz), 大提琴 (65Hz – 350Hz, 泛音直上 7,000Hz) 。

木管部樂器中 : 短笛的基音頻率是 600Hz – 4,000Hz (泛音直上15kHz) ; 長笛 (Flute) 是250Hz – 2,300Hz (泛音直上12kHz) ; 雙簧管(Oboe) 是230Hz- 1,500Hz (泛音直上12kHz) ; 單簧管(Clarinet) 是125Hz – 2,200Hz (泛音直上 12kHz) ; 高音色士風 (Tenor Saxophone) 是110Hz – 700Hz (泛音直上8.3kHz) ; 巴松管(Basson) 是58Hz – 630Hz (泛音直上9.2kHz) 。

銅管樂器 (Brass)中，小號的基音頻率是160Hz – 1250Hz (泛音直上 9600Hz) ; 高音伸縮長號是85Hz – 550Hz (泛音直上 5200Hz) ; 低音伸縮長號是58Hz – 420Hz (泛音直上5000Hz) ; 法國圓號是65Hz – 800Hz (泛音直上5000Hz) ; 大號 (Tuba) 是48Hz – 385Hz (泛音直上 2200Kz) 。

人聲(Vocal) 裏，男聲的基音頻率是100Hz – 950Hz (泛音直上8000Hz) ，女聲的基音頻率是250Hz – 1050Hz (泛音直上8000Hz) ，可謂不相伯仲。

敲擊 (Percussion )樂器中，腳踩大鼓的基音頻率是50Hz – 500Hz (泛音直上8200Hz) ; 定音鼓是60Hz – 680Hz (泛音直上3000Hz) ; Snare鼓是100Hz – 250Hz (泛音直上11,000Hz)，銅鈸是315Hz -900Hz (泛音由直上16,000Hz)。

無論閣下是否經過專業訓練，幾乎大部份人都能夠聽得出樂手有否彈錯音，唱歌的是否走音，這種與生俱來的能力來自我們對音樂的感知和聲音的物理性質的交互作用，是謂「音高」(Pitch) ，與樂器的弦或其他聲源的頻率與振動速率有關。

各位讀者從此亦應該明白，為何各位主筆平常測試時，都以人聲、鋼琴及小提琴作測試軟件嗎?  原因不言自明!

理想的音色平衡度

不論讀者你喜歡的是流行搖滾音樂、爵士樂，抑或是筆者都很喜歡的古典音樂，有否發覺與低頻有關的樂器編制 (例如腳踩大鼓、定音鼓、管風琴、爵士鼓)都被放在後方中央的位置，結他、人聲及絃樂都是位於前方，因為低頻無方向性，亦是一切形式音樂的支撐及基礎，唯有厚實而雄渾的低音被置於後方，才不會掩蓋中高頻樂器的音色!!!

不少發燒友以為理想的的音色平衡度(Tonal Balance)，理應是高、中、低三頻的量感都應該如三杯水一樣多，如間尺般平直，其實是非常錯誤的。

正確而理想的音色平衡度應該是一個如金字塔般的量感分佈，按合理的比例，低頻仿如金字塔的底部，既寬厚紮實，量感應佔三頻中最多(但低頻亦不能過量，以免混濁及掩蓋中高頻的量感)，量感太少，會導致中高頻突出而拮耳，不耐聽也，缺乏溫暖的舒服感!!!  反之亦然，由於人耳對2,000Hz – 5,000Hz的頻段最敏感，所以聆聽空間需要做適當的吸音處理，而且亦涉及喇叭本身的擺位及週邊器材的配搭 (後級功放對三頻的控制力更是關鍵)，高頻柔順向上伸延，不會刺耳，低頻就不再貧乏瘦寡。

中頻 (250Hz – 2000Hz) 至中高頻 (2000Hz – 6000Hz)量感次之，不瘦削、不臃腫，量感一定要適中 ; 高頻 (6000Hz – 20,000Hz)是Tonal Balance金字塔的頂端，由於已經極少有樂器的基音涉及高頻段落，所以此段落通常是涵蓋樂器及人聲的高倍泛音 (或第N次諧波)，所以一般來說，往上伸延的泛音理應是頻率愈高，能量愈小，而且成年人的人耳最多只可以聼到 13,000Hz – 15,000Hz (視乎年紀而定，50歲後的成年人只可以勉強聽到10,000Hz，60歲後更不用說了!!) ，既然聽不到，那要高頻幹嗎? 但看倌們，我們的大腦透過滿佈全身的感官神經，依然可以感受到高頻的倍數泛音，因為我們的皮膚都是亠幅巨大的接收器!!! 

由於高音單元負責的頻段是最寬闊的，卻要敏銳地重播出微小的極高頻諧波弱音，又要兼顧重播中高頻段 (2kHz – 6kHz) ，所以現今不少喇叭的高頻都可以很清晰，卻最刺耳兼容易引起失真。 Wilson Audio的創辦人及資深喇叭設計師 David Wilson 曾講過，他不認同高音單元需要延伸到50kHz以上 (甚至是20kHz以上，因為人耳根本聼不出)，認為那不過是營銷的噱頭(Marketing Gimmick) ，只有狗才聽得到，而應該注重高音單元與中音單元能否配合及衍接，高音單元的最低分頻點能否與中高音的單元配合，看看前述所言，看來David Wilson 並非無的放矢。

Hi-Fi既是物理科學，亦涉及生理學及音響心理學(Psycho-acoustic) , 但篇幅所限，下回再談。