楽器

この記事は、イーサン・ワイナーの『The Audio Expert』からの抜粋です。この本についての詳細は、イーサンのウェブサイトで読むことができます: http://ethanwiner.com/book.htm

バイオリンやチェロなどの弓楽器では、音色（ティンバー）は弓が弦のどの位置に置かれるか、どれだけ強く押し付けられるか、弦をどれだけ速く引くかによって影響を受けます。これら3つのパラメータは、音色をその全ての可能性の範囲で変化させます。ここでの音色は、基本音の相対的な音量と、その多くの倍音を説明します。

木管楽器の場合、唇と口の形状、そして吹く力の強さが音色を決定します。強く吹くことで、より大きな音の倍音が生成され、弱く吹く場合よりも音が大きくなります。同様に、ギターやバンジョーなどの弦楽器でも、弦を強く叩いたり、一端に近い位置で弦を叩くことにより、より強い倍音成分が生まれます。この原理は、アコースティック楽器にも当てはまります。トランペットやオーボエを強く吹いたり、ドラムを叩いたりするほど、音は明るくなります。また、ドラムのオーバートーンのレベルは、叩く位置や力の強さに応じて変化します。ドラムの端の近くを叩くと、基音に対して倍音がより大きくなり、中心近くを叩いた場合と比較してそのようになります。これは、自然界に存在するほぼ全てのアコースティック音源に当てはまります。

多くの人は、弓をコントロールすることがバイオリンやチェロを演奏する上で最も難しい部分であることに気づいていません。弓は楽器の声であり、他は従属的です。確かに、正しい指板の位置に指を正確に置くための微細な運動コントロールを発達させるには、何年もかかります。ほんの数ミリのずれでも音を大きく外すことがあります。しかし、弓をコントロールすることはさらに難しいです。サクソフォンやオーボエのような吹奏楽器についても同様です。 dedicatedな学生は、1年か2年後には楽譜の音符を自動的に対応する指でマッピングすることを学ぶことができますが、必要な呼吸と口のコントロールを習得することは、何千時間にもわたる練習を必要とし、真にマスターするには数年かかります。

楽器の種類

音楽楽器には2つの基本的な種類があります。一つは、ピアノやシンバルのように音が一度発生し、その後自ら消えていく打楽器、もう一つは、バイオリンやトロンボーンのように演奏者が音の持続時間、音量、音色、ビブラートを継続的にコントロールする持続楽器です。たとえば、バイオリニストは、ゆっくりと弓を動かして柔らかく音を出し、その後弓をより速く引くことで音量を増やし、弓をブリッジに近づけることで音の明るさを増し、最後にビブラートを徐々に速くすることができます。これらの時間にわたる変化は音楽をより表現豊かにし、聞くのがより興味深いものとなります。

打楽器も表現豊かに持続的に演奏することができ、スネアドラムやティンパニドラムでのロールなどでは、ドラムを繰り返し叩いて音を出します。ドラムロールも、叩き方や位置、ロールの速さを変えることで時間によって音色が変わることがあります。同様に、マンドリン奏者は同じ音を素早く繰り返し弾くことで持続的なトレモロを作り出し、その音を無限に続けます。しかし、私の考え方では、楽器は打楽器と持続楽器のこの2つの基本的なカテゴリーに分けることができます。

演奏技術による音のコントロールに加えて、観客やマイクで聞こえる音色に影響を与える要素のもう一つは、指向性です。スピーカーと同様に、バイオリンの振動する木製の板は高い周波数でより方向的に放射します。400Hz以下では、バイオリンはほぼ全周方向に放射しますが、4または5kHzでは音のほとんどが狭いビームで上方に向かって放射され、前方へのエネルギーは非常に少なくなります。クラリネットやサクソフォンのようなリード楽器も、周波数によって異なる方向に放射し、押されるキーに応じて楽器の異なる部分から音を放出します。コンサートホールでは、音の全スペクトルは、演奏者の背後にあるステージ壁やフレア型の天井、角度のついた側壁からの反射を通じて観客に届きます。

以前の章では、FFTアナライザーが録音の異なる周波数でのエネルギー量を表示でき、このツールが楽器の出力も分析できると説明しました。楽器のスペクトルを理解することは、より良いシンセサイザーのプログラマー、ミキシングエンジニア、オーケストラアレンジャー、または単により知識豊富で評価の高いリスナーになるために役立ちます。たとえば、エレクトリックベースは、弦がどの部分で弾かれるかに応じて、基音の周波数よりも最初のいくつかの倍音の方がエネルギーが少ないことがよくあります。ベース楽器の満足感の多くは、第2倍音のレベルによって決まるため、それをEQで引き立てることで、非常に低い周波数に頼らずにミックスを堅実に聞かせることができます。

図1は、ピックアップの真上で指で弾いた際の、低いA音を演奏している私のフェンダー・プレシジョン・エレクトリックベースのスペクトルを示しています。第2および第3倍音成分が基音よりも大きいことがわかります。しかし、ブリッジから遠く、弦の中央に近い位置で弦を弾くことは、より基音が強く、倍音が柔らかくなるメロウな音色を作り出します。弦を弱い力で弾くことも、倍音成分を減少させます。

図1: 弦を弾く位置や力によって、基音は倍音よりも柔らかくなることがあります。このFFTは、フェンダー・プレシジョン・ベースで指で弾いた際の低いA音のスペクトルを示しており、EQは適用されていません。110Hzの第2倍音が55Hzの基音よりも約7dB大きく、165Hzの第3倍音が第2倍音よりも約3dB大きいことがわかります。

図2は、ヤマハのグランドピアノから録音された同じ低いA音のFFTを示しています。やはり、基音は第2倍音よりも柔らかく、第2倍音は第3倍音よりも柔らかいです。しかし、ピアノは、指（ピックではなく）で演奏されたエレクトリック・ベースよりも明るい音色であり、これは高い倍音がエレクトリック・ベースよりもはるかに急速に減衰しないことに反映されています。

図2: ピアノの低音は、最初のいくつかの倍音よりも基音でのエネルギーが少ないことがよくありますが、高い倍音はエレクトリック・ベースよりも急速に減衰しません。

倍音系列が音程を外している

バイオリンやギターの振動弦、木管楽器や金管楽器の振動空気は、特定の数学的系列に従った倍音（オーバートーン）を生成します。最低周波数は基音であり、各倍音はその周波数の整数倍です。ノコギリ波やパルスなどの静的波の倍音も同様の系列に従います。表1は、基音周波数が55Hzである低いA音の倍音系列を示しています。それぞれの倍音は前の倍音よりも55Hz高くなっています。

表1: ほとんどの楽器の倍音系列はこの基本的な順序に従い、高い周波数では音程が外れることがあります。この表は、低いA音から生成される最初の15の周波数を示しており、第5倍音の音程が約1パーセントずれていることがわかります。第11倍音では、音の高い楽器が低い音を演奏している際に聴こえることができ、周波数は3パーセントずれています。2つの隣接する音の間の音楽的距離は約6パーセントであり、したがって3パーセントは深刻に音程が外れています！

倍音は通常、周波数が高くなるにつれて柔らかくなるため、単一の音は必ずしも自身との音程が外れているようには聞こえません。たとえ第11倍音が3パーセントずれているとしても、これは一つの音楽間隔の半分であり、それは多いですが、この特定のピアノとマイクの配置では、基音よりも11dB柔らかくなります。また、音程が合っている他の倍音によって部分的に隠されます。

金管楽器における使用可能な基音も、表1に示されている倍音系列に従っています。バグパイプはトランペットに似ていますが、チューブの長さを変えるバルブがありません。バグパイプは倍音系列内の音のみを演奏でき、演奏者は口の形や唇を調整することで選択します。バグパイプ文献には、TapsやReveilleなどの著名な「スタンダード」があります。すべてのバグパイプの曲は、基本的にメジャーキーのコードトーンのみの限られた範囲の音を含みます。バグパイプが高い音を演奏する際、基音は本質的に音外れしており、演奏者は口の形を調整し、正確な音程を出すために強く吹いたり弱く吹いたりする必要があります。このように音程を調整することを、「リップ」と呼びます。

余談ですが、ギターで演奏された単一の音は、弦が古くなると音が外れているように聞こえることがあります。弦は不均一に伸びることが多く、一部が薄くなる部分を作ります。薄い部分が弦の長さのどこに現れるかに依存して、いくつかの顕著な低い倍音が基音と音が外れて聞こえることがあります。古い弦でギターを調整するのは非常に難しいです！

ここで使用されている「倍音」という用語は、振動する弦の自然なオーバートーン系列または木管楽器内の振動空気柱を指します。もう一つのタイプの倍音は、弦楽器で弦を弾いたり弓で弾く際に、特定の位置で軽く指を置くことで人工的に生成されます。弦の長さの中間点で軽く触れることで、オープン弦よりも1オクターブ高い音を生成します。弦を指板にしっかり押し付けることで、通常のオーバートーンを持つ音が生成されますが、この倍音は純粋なサイン波に近いです。ネック上の他の位置でも同様のことができます - 普通の場所は、1/3や1/4の長さですが、他の整数の分割も機能します。実際、ネックの1/7の位置でこれを行うと、自然に発生する単一の音内のオーバートーンのように、音外れした音楽的7th（2オクターブプラス）が生成されます。

等間隔調律

等間隔調律は、自然に発生する倍音系列に従うのではなく、隣接する音の間に固定された間隔を使用する調律方法です。等間隔調律では、オクターブを12の等間隔に分けた音楽的半音を呼ばれます。任意の音と次の高い音の間の正確な比率は1.0595対1であり、1.0595は2の12根です。ギターネックのフレットはこの比率に基づいて配置されており、すべての現代楽器調律メーターは、この方法を使用して音の高さが高すぎるか低すぎるかを示します。

数百年前、金管楽器にはバルブがありませんでした。バグパイプのように、初期のホーンやトランペットは特定の音を限られた数だけ生成することができました。バルブのないFホーンが高いCを演奏できるとしても、その音は音程を外れており、Cのキーで音楽を演奏することが不適切です。したがって、プレイヤーは、異なるキーで演奏するように設計された複数の楽器を所有するか、取り替え可能なクルーク - 管の短いセクション - を挿入してチューブ全体の長さを変える必要がありました。パフォーマンス中にクルークを変更するには時間がかかるため、1815年頃にトランペットとフレンチホルンにバルブが追加されました。これにより、ミュージシャンはハーモニック系列の音だけでなく、等間隔の音を演奏できるようになりました。

等間隔調律の概念は数千年の歴史がありますが、J.S.バッハはその推奨者であり、現代の現実にしました。彼の1722年の『The Well-Tempered Clavier』は、彼の時代の鍵盤楽器のために書かれた24曲のシリーズです。このことは音楽的にも技術的にも大きな影響を与えました。なぜなら、それにより楽曲が遠隔キーにモジュレートされても、一部の楽器が音程を外れることがないからです。

他の調律方法であるジャスト・イントネーションは、正確なハーモニック周波数に対して5度を調整します。この場合、表1の最も低いE音は、164.8Hzではなく165Hzに調整されます。弦楽器奏者は、隣接するオープン弦を弾きながらビートトーン - 完全なユニゾンに近づく2つの音のゆっくりとした音量の波動 - を聞くことによって、このように楽器を調整することがよくあります。2つの音を同時に演奏し、一方の音の調律を調整して、脈動が止まるまで調整します。少し音程が異なる2つの音を同時に演奏することと、ゆっくりとしたトレモロ効果によって振幅が変調された1つの音を演奏することの違いはありません。結果として得られる音、波形、スペクトルは同一です。

別の調律技術は、倍音を使用して完全なユニゾンを達成します。ギターのA弦を第7フレットで軽く触れることで、オープン弦よりも1オクターブ半高いE音を生成します。Aの5フレットでE弦を軽く触れることで、同じE音を生成します。したがって、両方の倍音を続けて演奏し、どちらかの弦を調整して、ビートが遅くなるまで続けます。倍音による調整は特にベースにとって有用です。なぜなら、我々の音程認識は低周波数では良くないからです。

多くの演奏者は、表現や効果のために音をわずかに鋭くまたはフラットに演奏します。音の全体の持続時間のためでなくとも、低い音から音符にスライドすることがあります。音をわずかにフラットに演奏することで落ち着いた印象を与え、わずかに鋭く演奏することで緊張感を加えます。また、これは非常に小さな量、すなわち五セントまたは十セント - 音楽的半音の1/100に相当します。意図的に音程を外して演奏することは、バイオリンやチェロのようなフレットなしの楽器では簡単です。また、木管楽器奏者は、口の形を変えることによって音程を外すことができます。ギター奏者は、弦を曲げることによって音程を大きくまたは小さく変えるため、弦が不均一に伸びる理由の一つです。演奏者は、ビートの後ろや少し前に（たとえば、10ミリ秒から30ミリ秒）演奏することでも、落ち着いた感じや緊張感を加えることができます。

「木製ボックス」楽器

リスニングルームと同様に、何らかの種類の中空の木製「ボックス」で作られた楽器も、ボックスのサイズに関連する共鳴モードを持っています。モーダル共鳴が特定の音を他の音よりもはるかに大きくしないようにするために、バイオリン、ギター、その他の木製ボックス楽器は、不規則な曲線シェイプで設計されています。これらの楽器にはモードがありますが、横の連続曲線により、特定の周波数とその倍音での強い蓄積を最小化します。

また、部屋と同様に、共鳴モードが近くにあるが正確にはその周波数に合致していない場合、周波数差によって音程が外れたビート周波数が生じます。これは「ウルフトーン」として知られる効果を生じ、特にチェロやアコースティックベースで小さな木製ボックス楽器よりも顕著です。多くのチェロでは、164.8HzのEと185HzのF#の間のどこかで強い共鳴が発生します。その共鳴が標準の音頻率と正確に調和しているかどうかに関係なく、その1つの音が他の音よりも大きく聞こえ、弓を使ってコントロールするのが難しくなります。非常に良いチェロでも、ウルフトーンが発生することがあり、チェロのボディや低音弦に取り付けられるさまざまなデバイスがあり、効果を減少させることができます。

木製ボックス楽器は、低い周波数が逃げるように、前面板に1つ以上の穴を持っています。アコースティックギターは通常、直径約4インチの1つの丸い穴を持ち、バイオリンファミリーの楽器には、ちょうど手書きのイタリックの「f」のような形をしたFホールと呼ばれる2つの穴があります。すべての木製ボックス楽器は、図3に示すチェロと同じ基本的な原理を用いて音を作り出します。4本以上の弦が指板の上にきつく引かれ、両端がチューニングペグとテールピースでしっかりと固定されています。弦のアクティブな振動長は、チューニングペグ側のナットと、ボディに乗ったブリッジの間の部分です。これらは、弦を横に固定する働きもします。アコースティックギターやバンジョーの関連部品にも同じ名前が使われていますが、これらの楽器では橋とテールピースは、サドルと呼ばれる単一のユニットです。ここに示されているチェロミュートは、ブリッジの上に置いて振動を部分的にダンプするための小さなゴムのブロックです。