摘 要：本文在全面总结国内外相关文献的基础上，选择国际上常用的测量方法，在全消声室和半消声室内对五种常用调竹笛的指向性进行了测量，并运用数理统计的相关理论，对相同声学环境下不同竹笛的指向性进行了比较分析，总结出了竹笛指向性的一般规律；通过对比同一支竹笛在半消声室和全消声室的测量结果，探讨测量环境对测量结果的影响。
一、研究目的和意义
我国是目前国际上公认的乐器生产使用大国，但在民族乐器声学领域的研究还较为落后。原国家轻工业局行业管理司质量标准处在2000年制定颁布了二胡、笛子等十余种民族乐器的外观、构造标准——《中国轻工业标准汇编·乐器卷》，而这个标准侧重于工业方面的属性，缺乏对乐器声学特性的限定。指向性是描述乐器声学特性的重要参量，它是指乐器发声强度随空间位置变化的规律，有了这样的规律，录音师便可以根据艺术创作上的需要选择合适的拾音位置。除此之外，中国民族管弦乐队的编制、舞台摆位等问题在很大程度上也需要参考乐器的指向特性。目前，在这两个方面没有固定统一的标准，大多是根据作曲家、指挥家的经验来实践的，而解决这一问题的首要工作，就是通过声学测量获取民族乐器的基本声学参数。
在全消声室、半消声室内对中国竹笛进行指向性测量在我国尚属首次，所获取的科学数据将为上述领域提供重要的基础资料。笔者曾参与由中央音乐学院与中国演艺设备技术协会联合制定《中国民族乐器音响标准库》的科研课题，并承担了其中部分乐器的测量分析工作，本论文在上述测量基础之上，对民族乐器音响标准库及民族乐器声学特性资料库进行补充对比，并进行测量方法上的探索和改进。
二、竹笛发声原理
竹笛是中国古老的吹奏乐器，在现代的民族管弦乐队中，竹笛是不可或缺的乐器之一，是乐队中重要的旋律乐器。竹笛音色明亮独特、穿透力强，具有强烈的民族特色，表现力极为丰富，在民间歌舞、京剧和其它地方剧种、说唱音乐的伴奏中，也发挥着十分重要的艺术表现功能。
竹笛由一根竹管做成，里面去节中空成内膛，外呈圆柱形，在管身上开有1个吹孔、1个膜孔、6个按音孔、2个基音孔和2个助音孔。按照德国音乐学家萨克斯和奥地利音乐学家霍恩博斯特尔提出的乐器分类法，竹笛属于气鸣乐器中的边棱音乐器。其中，振动体是笛管内的空气柱，激励体是喷射于吹口的气流，共鸣体是笛管，调控装置是笛膜、笛塞、调音铜套、风门、演奏者的手指和气息。
竹笛以边棱音作为激励源，当气流以一定角度射向吹孔边缘时，气流被分成两股，形成上下两个分离的气体漩涡；漩涡之间随之产生空隙，导致相互碰撞，碰撞发出的声响就称为边棱音；边棱音激发笛管内空气柱的振动，并与其发生耦合①，就发出了声音。
竹笛是通过改变空气柱长度的办法来发出不同的音高的。当手指开闭音孔时，笛管内的空气柱长度随之发生改变，因而就发出了不同的音高。在理想情况下，其音高频率f 与笛管内空气柱的长度L有以下关系：
其中，v表示声速，常温下（15℃），声音在空气中的速度为340.4m/s。
竹笛的共鸣管属开管类型，属于八度超吹乐器。如果吹奏时紧缩嘴唇、加强气息，就会抑制基频而突出第一泛音，出现超吹现象。
中国竹笛与西洋长笛都属于开管边棱音乐器，与长笛相比，其最大特点是在离吹孔不远处开有膜孔，并蒙有笛膜。笛膜通常是由芦苇膜制成，吹奏时，气流经过笛膜，使其作强迫振动，发出的声音有一种特殊的共鸣效果，使音色更为清脆明朗、优美动听。
为获取竹笛较为全面的指向特性，本次实验共选取了五支竹笛作为研究对象，分别是G调曲笛、C调曲笛、D调曲笛、E调曲笛和G调梆笛，采用了p、mf、f三种力度来演奏。录音内容为两个八度的音阶。为获取不同测量环境下的数据，以上内容由同一位演奏者分别在半消声室和全消声室内进行演奏，两次所使用的乐器是相同的。
三、测量方法
实验数据采集采用同期分轨录音的方式，对于乐器指向性测量而言，采样点越多，分布在乐器测量球面上的测量点密度就越大，测量结果也就越精细，但这跟实验的成本、复杂程度以及后期的数据处理量也是呈正相关的。为了能够精确定位各传声器的位置，本次实验定制了一个球形的阵列支架，支架的半径为1.5米，共分为6层，分别是90°纬线圈（即极点）、67.5°纬线圈、45°纬线圈、22.5°纬线圈、0° 纬线圈和-22.5°纬线圈；8条半个经线圈，俯视支架，演奏者正前方是0°经线圈，俯视顺时针依次是45°经线圈、90°经线圈、135°经线圈、180°经线圈、225°经线圈、270°经线圈和315°经线圈。下图是整个传声器阵列的示意图，其中，黑色线条代表阵列架的前半球部分，即演奏员的前方；灰色线条代表阵列架的后半球部分，即演奏员的后方；蓝色点代表球心，红色点代表传声器，蓝色点与0°纬线圈上红色点的连线所对应的经线为0°经线，即被测乐器的正前方。
传声器用特制的夹子固定在阵列架的金属管上。为避免金属管对于高频的反射影响到测量结果，各传声器与金属管之间有一定距离，部分金属管还包有吸声材料。各传声器振膜与球心的距离是1.4米。下图为半消声室、全消声室传声器阵列的照片。
考虑到后期数据处理分析工作量的原因，在空间位置上，选择了5个具有参考意义方向的信号进行分析，分别是乐器的正前、正左、左后、正右和正上方向。
乐器测量最大的困难是来自于人的主观性。为此，采取了一系列措施来尽量避免。首先，正式测量前演奏员需提前适应非常规的声学环境，适应时间由演奏员自己决定，直到测量环境不会对演奏产生影响为止。另外，对演奏员在正常声学环境下演奏的声压级也进行了分析，并记录了每个力度声压级的大致范围，正式测量时通过监测设备对每项内容进行声压级监控，若超出该范围，则告知演奏员立即进行补录。测量过程中如果演奏者所奏内容没有达到音准、音质规定的要求，或演奏者、监测人员及录音师对所奏内容不满意，也立即进行补录。为保证演奏质量，每隔半小时或一小时休息20分钟。整个测量过程全程录像，关键测量步骤拍有照片，以备需要时查询。整个录音结束后，演奏员需填写“录音情况调查表”，以获取演奏时的身体、心理等具体信息。
担任本次演奏的是中国音乐学院的专业教师，从事竹笛演奏已有20年，双耳听力均正常。所用乐器均为演奏者自己的乐器，以保证对于乐器的熟悉程度。所有乐器在测量前均进行校准，标准音为440Hz。乐器在正式测量前均已放入测量环境中一定时间，以防止温度、湿度对于乐器发声的影响。被测乐器的具体信息见附录1。
四、测量环境和测量系统
1.测量环境
本次实验是在中国计量科学研究院声学所的消声室完成的。作为我国计量研究中心和国家级法定计量技术机构，拥有高精度、大空间的全消声室和半消声室，为本次实验提供了优良的测试环境和软硬件设备。全消声室采用“房中房"的结构，整个内房由固体弹簧支撑，以隔绝外界振动对于消声室的影响，其共振频率小于5Hz。全消声室的净空间尺寸为14.0m×11.4m×8.8m，净体积约为1404m³，全消声室的门由隔声防火门、电磁屏蔽门及吸声门组成，对于10MHz~1GHz频率范围内的电磁屏蔽衰减量大于80dB。半消声室的净空间尺寸为13.2m×10.0m×7.2m，净体积约为950m³。室内反射地面采用彩砂自流坪。全消声室、半消声室在空调关闭时的背景噪声分别为-2dBA、-1dBA。
按照国际标准ISO3745-2003《声学-用声压法确定噪声源声功率级-消声室和半消声室精密法》附录A中规定的鉴定测试用房间声学特性的要求对全消声室和半消声室进行检测，各频段的允许偏差比ISO3745中的规定值还小，优于国际标准的要求。下表分别为全消声室和半消声室的测试结果。
2.测量系统整个测量系统包括四个子系统及相关辅助设备。这四个子系统是：数据采集系统、数据记录系统、实时监测系统和监听对讲系统。测量所用设备的具体型号及参数见附录2。各个设备的连接见下面的系统连接图。
整个测量系统采用BK4231型校准器进行校准，该校准器也用标准传声器进行了校准，校准后的系统误差在0.3125%内。
五、测量结果及分析
1.全消声室指向性测量
由上图可知：
C调曲笛以p力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为76.7dB，向270°方向辐射的声压级最小，为65.9dB，两者相差10.8dB；以mf力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为87.1dB，向270°方向辐射的声压级最小，为75.7dB，两者相差11.4dB；以f力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为95.3dB，向270°方向辐射的声压级最小，为84.5dB，两者相差10.8dB。
G调梆笛以p力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为81.0dB，向270°方向辐射的声压级最小，为71.5dB，两者相差9.6dB；以mf力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为90.8dB，向270°方向辐射的声压级最小，为80.3dB，两者相差10.5dB；以f力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为98.8dB，向270°方向辐射的声压级最小，为88.6dB，两者相差10.2dB。
2.半消声室指向性测量
由上图可知：
C调曲笛以p力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为81.0dB，向270°方向辐射的声压级最小，为72.0dB，两者相差9.0dB；以mf力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为88.4dB，向270°方向辐射的声压级最小，为79.4dB，两者相差9.0dB；以f力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为94.1dB，向270°方向辐射的声压级最小，为85.0dB，两者相差9.1dB。
G调梆笛以p力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为81.8dB，向270°方向辐射的声压级最小，为72.3dB，两者相差9.5dB；以mf力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为88.8dB，向270°方向辐射的声压级最小，为79.1dB，两者相差9.8dB；以f力度演奏时，向正上方向辐射的声压级最大，为98.7dB，向270°方向辐射的声压级最小，为89.1dB，两者相差9.6dB。
3.不同竹笛指向性的比较
半消声室、全消声室内不同种类竹笛中等力度演奏时的指向性对比图见下图。
根据上图以及对各方向上声压级数据进行相关性分析可知：中等力度演奏时，不同种类竹笛的声辐射特性具有很强的相关性，五种类型竹笛的声辐射特性都基本相同，即：正上方向的声压级最大，270°方向的声压级最小。
4.测量环境对指向性测量结果的影响
三种力度演奏时，两种测量环境下的指向性对比图见下图。
对p、mf和f力度演奏时两种测量环境下的声辐射特性数据进行相关性分析，结果见下表：
从表中可以看出：竹笛在半消声室和全消声室的声辐射方向具有很强的相关性，说明测量环境对于竹笛指向性的测量结果影响大不。
六、结 论
综合前面的分析可得出以下结论：
1.竹笛声压级的大小与空间位置密切相关，不同类型竹笛声压级的变化规律与方向的变化呈现出高度的一致性，这说明竹笛具有较强的指向特性。
2.不同类型竹笛的指向特性是一致的，即：向乐器正上方向辐射的声能最多，向乐器正左方向辐射的声能最少。
3.测量环境对于弱力度、中等力度、强力度演奏时指向性的测量结果影响大不。
4.对于竹笛的拾音方式，不仅要考虑到演奏和欣赏的习惯，还要考虑到乐器本身的指向特性。
5.在不影响舞台表现及指挥习惯等因素的前提下，竹笛在民族管弦乐队中的位置也应考虑到其指向特性。
注 释：
①这里的耦合是指激励源的振动频率与笛管内空气柱的振动频率发生相互调制的过程。