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电子钢琴的音准标准的定性与定量
乐器设计师 蒋峰（得理乐器（珠海）有限公司技术精英）
电子钢琴的发音原理与电子琴是一样的。电子琴先于电子钢琴诞生，是电子琴发展到一定阶段后，将电子琴的外壳换成了类似传统钢琴的外壳，再配上类似传统钢琴键盘的外形与手感的键盘，这样就逐渐形成了现在的电子钢琴。所以，电子钢琴的音准标准就一直参照电子琴的音准标准。
国标GB/T 12105-2007《电子琴通用技术条件》对音准问题的规定有下述几条:
3.2.1 律制 采用十二平均律
3.2.2 标准音 小字一组a音为440Hz
3.2.5 全音域音准误差 高级品为±3音分
行标QB/T 1477-2003《电子钢琴》对音准问题的规定有如下几条：
3.2.1 律制 采用十二平均律
3.2.2 标准音 小字一组a音为440Hz
3.2.5 全音域音准误差 高级品为±2音分
可以看出，电子钢琴与电子琴的标准很相似，只是更为收紧了偏差范围。
在2012年重新修订《电子钢琴》行标时，修订小组已经意识到这里有问题，所以在新修订的行标QB/T 1477-2012《电子钢琴》上成为如下的规定：
4.2.1 律制 采用十二平均律
4.2.2 标准音 小字一组a音为440Hz
4.2.6 音准 以f-e1为基准音组，其音准误差符合：高级品为±2音分
从上面对比可以看出，电子钢琴的音准要求已经从全音域转变成基准音组。对此更改，很多人曾表示过异议，并且至今就此标准应如何规定仍存在很多争议。笔者是行标QB/T 1477-2012《电子钢琴》的第一起草人，在此就音准这个电子钢琴极其重要的品质指标的规定，在定性与定量两方面做深入探讨，并提出进一步的改进意见。
首先，电子钢琴的音准要求的范围从全音域转换成基准音组，是否是降低了标准？前文已经述及，电子钢琴的技术源于电子琴。早期的电子琴，包括电子钢琴，其发音技术都是FM技术。FM技术可以很准确地采用电子振荡的方式制造出各种频率（包括其准确的整数倍的多次谐波）的声音，再加上各种效果处理，就模仿出钢琴等乐器的声音。在此技术背景下制造出来的电子钢琴的各键的发声频率，是完全遵照十二平均律的，并且各音之间可以做到十二平均律所允许的听感上的谐和度。但是，随着发音技术的发展，电子琴，包括电子钢琴的音色逐渐开始采用PCM技术，也就是钢琴音色变成采样自传统声学钢琴。由于采样自传统钢琴，就出现了一个大的问题，就是全音域的各个键的发音频率根本不能保证在原定精度基础上符合十二平均律的各个键的理论频率值。众所周知，传统钢琴的音准存在所谓的“音准曲线”，也即，在低音区趋向于低于平均律的理论频率，高音区趋向于高于平均律的理论频率，其偏差可以达到十几音分。造成这种音准曲线的原因就在于钢琴弦发出的声音的多次谐波的频率并不是基频的准确的整数倍，而是略偏大一些的。比如，440Hz的二次谐波是略大于880Hz的，所以以中音区的基准音组调出来的低音和高音区，就呈现了上述音准曲线的情况。这样，如果再以全音域对电子钢琴做音准要求，那将是无法实现的。通过我们对多家知名品牌的产品的测试摸底，确实证明了上述观点。所以，把电子钢琴的音准要求的范围从全音域的要求做改变，不是降低要求，而是与实际更为吻合。
有人质疑，电子钢琴虽然采样自传统钢琴，但其发音频率是可以调整的。电子钢琴的音色采样大多数情况下也不完全是每个键采一个音色样本，而是分段采样，然后再做频率调整，在采样音色的附近再衍生出几个音色。既然这样，为什么就不可以将每个键的频率都调整到与十二平均律相吻合呢？答案是，这样做的结果就是虽然可以做到全音域完全符合十二平均律，但听觉上将产生严重的不和谐。原因很简单，因为所采样的钢琴各音色本来是在遵照钢琴特有的音准曲线的规律下相互在听感上是和谐的，你硬生生将其做了调整后，必然在听感上产生不和谐。
也有一种观点认为，产生上述问题的原因，就是因为电子钢琴对音色的频率所做的调整，仅仅是针对其基频所做的，而对此基频的谐波并未调整。在听感上的和谐，其实是与谐波相关联。如果各音色的谐波没有得到与基频同步的调整，那就产生了上述问题。但其实，就现有技术而言，虽然可以对多次谐波也进行同步调整，但工作量巨大，是理论可行，但实际暂不可行的做法。如果有一天，哪家电子钢琴完全做到了上述要求，即基频与多次谐波都调整准确到十二平均律的理论值，那么这种乐器就成为了超脱传统钢琴的一种全新的键盘乐器，而且可以实现与其它遵守十二平均律的乐器的在各音域的完美的谐和。笔者认为，如果技术发展到一定程度，实现上述目的就很有可能。到那时，我们可能又必须将电子钢琴的音准标准从基准音组扩展到全音域了。
还有一种观点认为，既然电子钢琴的音色采样自传统钢琴，那不如就直接采用传统钢琴关于音准的规定标准。传统钢琴关于音准的标准，在国标《钢琴》GB/T 10159-2008上是这样规定的：
5.1.1 产品出厂时小字一组a音的频率应在440Hz-447Hz范围之内
5.1.2 采用十二平均律
5.1.3 基准音组（f-e1）内四、五度音应谐和，全音域内的同度音和八度音应谐和
上述规定与电子钢琴的规定最大的不同在于，基准音组内的各音的要求是相互谐和，而不是与十二平均律的理论频率值的符合度。首先我们要明确一点，就是基准音组内的四、五度音的谐和，应当是有“拍”的谐和，而不是完全的谐和，目的就是为了追求符合十二平均律。钢琴的国标做出上述的规定，其实应做适当的补充，否则易引起误会。经对国内知名钢琴厂的询问，方知原来钢琴厂其实对钢琴出厂时的音准不做精密的要求，因为产品经过运输、存储等过程，弦的张力等必然都会发生变化，导致音准漂移，到用户手上后必须再经过调音师做精密调整。因此，钢琴的国标上就没有对音准做出精密的要求。但电子钢琴不同，电子钢琴有别于传统钢琴，其最大的好处就在于音准到用户手上后不需要再调整，况且也无法调整。这就必须对电子钢琴在出厂前做到音准符合要求。所以，电子钢琴的音准标准就必须在行标上予以明确规定。
但是，在这样规定基准音组的音准要求后，各厂家可以通过采样后微调的方法使基准音组的各音频率完全符合十二平均律的要求，但因基准音组之外的各音的基频与谐波未经调整，会产生与基准音组的一定程度上的不谐和。所以，单纯用采样后微调的方法来满足标准是不行的，必须在采样前就尽量保证被采样钢琴的基准音组是十分靠近十二平均律的，且要求全音域都调整到同度音、八度音和谐。这样，采样后就不需要对基准音组的频率做微调，也能达到行标标准，这样才能保证基准音组符合音准要求，而全音域又达到八度的和谐。由此看出，电子钢琴的行标仅仅对基准音组做出音准要求是不够的，还必须要求八度音和谐，否则就会出现厂家投机取巧，采样前不对被采样钢琴做音准的精密要求，而仅仅只是在采样后通过频率微调来使基准音组达到标准，这样做就会存在八度不和谐的可能。这是在下次标准修订时需要考虑是否修订的地方。
通过上述探讨，我们对电子钢琴的音准要求的定性就有了较明确的认识。但是，在定量上还有一个疑点，就是高级品必须达到±2音分以内的偏差要求。根据一些钢琴专家的研究，传统钢琴基准音组靠耳听和音准仪辅助，可以被调整到与十二平均律的理论值相差在一个音分内。也就是说，我们所采样的音色本身，在基准音组就可能已经与十二平均律有了±1音分的差别，再加上音准仪等测试设备的误差，测量结果就很可能超过±2音分的要求。如果测量方法不恰当，那么我们所定的±2音分以内的偏差要求可能就难以成立。下文我们对测量方法做个探讨。
行标《电子钢琴》上规定测试音准所用的仪器是符合GB/T 3451-1982规定的音准仪或频率计，而GB/T 3451-1982上规定的只是校准乐器440Hz标准音所用的可以产生偏差在±2音分以内的调音装置，生产厂要用偏差在±1音分以内的调音装置对产品进行出厂前的调校。这里已经产生了一个误区，即GB/T 3451-1982上规定的只是一个可以产生标准音频率的装置，用这个装置所产生的标准音频率的声音，同我们所要调校的乐器进行耳听比对，直到将这个乐器的频率调准为止，而不是用来测试这个乐器所发出的频率的准确程度如何。在这个误区的引导下，我们以为可以用测试精度在2（或1）音分以内的音准仪去测试电子钢琴的音准程度，但实际我们发现，根本无法准确测试。原因是我们把音准仪倒过来用了，音准仪本来是用来调音的，而不是用来测音的。另外，就算音准仪可以用来测音，对于我们电子钢琴所要达到的音准偏差±2音分以内的标准，也应当用测试精度达到0.1音分的音准仪来测音，而不是2（或1）音分以内。所以，关于行标《电子钢琴》上对测试音准所用的仪器的规定是应当予以修订的。
那么，究竟应如何修订这个规定？首先，我们尝试用德国进口的型号为CTS-32-C的Tuning Set，即一种精度达到0.1音分的调音装置，对各家的电子钢琴进行测试。发现在测试过程中，由于钢琴音色的音头以及Loop部分的发音频率其实是在变化中的，所以无法抓到一个确切的点来说明该被测音到底准确的音准偏差值是多少，有几个人就可能有几个测试结果，而且可能相差几个音分以上，人为因素的影响很大。这说明，就算是精度达到0.1音分的音准仪，它也只能是用于调音的，而不是用来准确测音的。
音准仪被否定，我们尝试了傅里叶频谱分析法，发现用专用傅里叶频谱分析软件可以基本准确地测定电子钢琴所发出的钢琴音色的频率。我们用傅里叶频谱分析法对YAMAHA与CASIO的两款电子钢琴的基准音组与标准音的音准偏差进行了测试。用傅里叶频谱分析法可以精确规定好取值点，可以最大限度地排除人为误差。我们一般规定在稳定的波形Loop部分每隔0.2秒取一个点，取5个点以上的平均值。这样就最大程度地消除了人为因素的影响。为了确定人为因素对测试结果的影响，我们特意安排了三个不同的测试员进行测试，结果见下表：
从上表可以看出，傅里叶频谱分析法中的人为因素所造成的测试误差在1音分以内。
另外，我们也用不同的电脑进行了测试对比，详细数据就不列在这里了，结果是不同电脑对测试结果没有影响（除非等级很低的电脑）。
综上所述，如果我们将行标《电子钢琴》中所规定的测量方法改为傅里叶频谱分析法，由于此方法因测量的人为因素的影响产生1音分的误差，加上我们电子钢琴所采样的音色的频率的与十二平均律理论值的1音分的偏差，合计为2音分的偏差，那么，我们所设定的高级品的音准偏差±2音分以内的标准就是正确的。当然，本文还没有探讨由于电子钢琴的音色回放系统可能产生的音准误差。如果加上这些偏差，可能音准偏差标准还需要放宽。
在《电子琴通用技术条件》这个国标上，其实也存在同样的关于音准标准的设定以及测量方法的问题。在下轮《电子钢琴》与《电子琴通用技术条件》修订时应注意探讨和纠正这方面可能存在的本文所论及的一些问题。
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发表于 2016-12-20 09:08:27
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