楽器

この記事はEthan Winerによる『The Audio Expert』から抜粋されています。この本についてはEthanのウェブサイトで詳しく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、音色やティンバーは、弓が弦のどの位置に置かれ、どれぐらい強く弦に押し付けられ、どれぐらい速く弦を引かれるかによって影響を受けます。これら三つのパラメーターは、ティンバーの全範囲にわたって変化をもたらします。ここでのティンバーは、基本的な音程とその多くのハーモニック倍音の相対的な音量を示します。

管楽器の場合、唇と口の形、そして吹く力の強さがティンバーを決定します。強く吹くと、力を入れずに吹くときよりもハーモニクスが大きくなります。同じことがギターやバンジョーなどの弦楽器にも当てはまります。弦を強く叩くか、弦の一方の端に近い場所を叩くことで、より強いハーモニック成分が生成されます。アコースティック楽器にも同じ原理が適用され、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ことで、より明るい音が得られます。ドラムのオーバートーンも、どこを叩くかや叩く力によってレベルが異なります。ドラムの端に近い場所を叩くと、中心近くを叩くよりもオーバートーンが基本音に対して大きくなります。これは、自然界で発生するほぼすべ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、バイオリンやチェロを演奏する際に弓をコントロールすることが最も難しい部分であることを理解していません。弓は楽器の声であり、他のすべてはそれに従属します。確実に言えるのは、指板の正確な位置に指を置くために必要な細かな運動制御を発達させるのには何年もかかるということです。数ミリメートルでもずれると、音が大きく外れる可能性があります。しかし、弓のコントロールはさらに難しいのです。サックスやオーボエなどの吹奏楽器でも同じことが言えます。一、二年の dedicated な学生であれば、印刷された楽譜の音符を自動的にその音に対応する指で押さえることを学ぶことができます。しかし、必要な呼吸と口のコントロールを発達させるのはずっと難しく、多くの年をかけて千時間の練習が必要になります。

楽器の種類

音楽の楽器には基本的に二つのタイプがあります：音が一度鳴った後は自分で消える打楽器（ピアノやシンバルなど）と、プレイヤーが音の持続時間、音量、ティンバー、ビブラートを持続的にコントロールできる持続楽器（バイオリンやトロンボーンなど）です。例えば、バイオリニストは、遅い弓のスピードを使ってソフトに音を出し、次に弓を速く引くことで音量を増し、弓をブリッジに近づけることで音を明るくし、最終的にビブラートを加えます。時間の経過によるこれらの変化は、音楽をより表現豊かにし、聞くことをより興味深くします。

打楽器もまた、スネアやティンパニのロールのように、表現豊かに持続的に演奏することができます。ドラムロールでは、叩き方や叩く場所、ロールの速さによって音色が時間とともに変化します。マンドリンのプレイヤーは、同じ音を速く繰り返し弾くことで持続的なトレモロを作り、音符を無限に延ばします。しかし、私の考えでは、楽器はこの二つの基本的なカテゴリ - 打楽器と持続楽器 - に分けられます。

演奏技術による音のコントロールに加え、観客やマイクに聞こえる際の楽器のティンバーに影響を与える別の要因はダイレクティビティです。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性を持って放射します。約400 Hz以下では、バイオリンはほぼ全方向に放射されますが、4 kHzまたは5 kHzになると、ほぼすべての音は狭いビームで上方向に放射され、前方にはほとんどエネルギーが送られません。クラリネットやサックスフォンのようなリード楽器も、異なる周波数で異なる方向に放射します。また、押すキーによって楽器の異なる部分からも放射されます。コンサートホールでは、音の全スペクトルが演奏者の背後にあるステージの壁や、フレアした天井、傾斜し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内のさまざまな周波数でのエネルギー量を表示でき、またこのツールは楽器の出力分析にも使えることが説明されました。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、あるいは単なるより知識豊かで感謝をもって聴くリスナーになるのに役立ちます。例えば、エレクトリックベースは、弦の長さのどこを弾くかによって基本周波数のエネルギーが最初のいくつかのハーモニクスよりも少ないことがよくあります。ベース楽器の多くのボリュームは、第二ハーモニックのレベルによって決まるため、EQでそれを引き立てることで、非常に低い周波数に頼らずにしっかりとしたミックスを作ることができます。

図1は、フィンガーピックアップの直上で指で弾いたときの低いA音を演奏している私のFender Precisionエレクトリックベースのスペクトルを示しています。第二ハーモニックと第三ハーモニックが基本よりも大きくなっているのがわかります。しかし、ブリッジから遠く、弦の中央部に近い場所を弾くと、より柔らかいハーモニックを持つ、より基本的な音が生成されます。より少ない力で弦を弾くと、ハーモニック成分も減少します。

図1: 弦を弾く位置と力が変わることで、基本周波数がいくつかのハーモニクスよりも柔らかく感じることがあります。このFFTは、フィンガーピックで弾かれた際のFender Precision Bassの低音Aのスペクトルを示しており、EQは適用されていません。110 Hzの第二ハーモニックは55 Hzの基本音よりも約7 dB大きく、165 Hzの第三ハーモニックは第二ハーモニックより約3 dB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した同じ低いA音のFFTを示しています。再び、基本音は第二ハーモニックよりも柔らかく、第二ハーモニックは第三ハーモニックよりも柔らかいことがわかります。しかし、ピアノの音は、ピックではなく指で演奏するエレクトリックベースよりも明るく聞こえ、これは高いハーモニックのレベルがエレクトリックベースよりも急速に低下しないことに反映されています。

図2: ピアノの低音は、最初のいくつかのハーモニクスよりも基本音のエネルギーが少ないことがよくありますが、高いハーモニクスはエレクトリックベースと比べて急速に減衰することはありません。

ハーモニック・シリーズは外れている

バイオリンやギターの振動する弦、また木管楽器や金管楽器の振動する空気は、特定の数学的な系列に従うハーモニクス、またはオーバートーンを生み出します。最低周波数は基本音であり、各ハーモニックはその周波数の整数倍です。ノコギリ波やパルスのような静的波のハーモニクスも同じ系列に従います。表1は、基本音が55 Hzの低いA音のハーモニックシリーズを示しています。

表1: ほとんどの楽器のハーモニックシリーズは、この基本的な系列に従い、一部の高い周波数では外れます。この表は、低いA音によって生成される最初の15の周波数を示しており、第5ハーモニックの音程がほぼ1%外れていることが見て取れます。第11ハーモニックでは、明るい音が出る楽器で低音が鳴る際に可聴になり、その周波数は3%ずれていることがわかります。隣接する2つの音の間の音楽的距離は約6%なので、3%は大きく外れています！

ハーモニクスは通常、周波数が高くなるにつれて音が柔らかくなるため、単一の音は必ずしも自身で音程外れとは感じられません。たとえ第11ハーモニックが3%外れていても、これは半分の音楽的な音程であり多くの音では重要です。その特定のピアノとマイクの配置では、これが基本音よりも11 dB柔らかくなっています。また、その他のすべてのハーモニクスが調和しているため部分的にマスキングされています。

金管楽器で提供される基本音も、表1に示されたハーモニックシリーズに従います。バグルもトランペットのような楽器ですが、バルブがないため管の長さを変えることができません。バグルはハーモニックシリーズにある音を演奏することしかできず、演奏者は口の形や唇を調整して音を選びます。バグル文献には、タップスやレヴェイリーなどの多くの有名な「スタンダード」曲があります。すべてのバグルの曲は、基本的にメジャーキーのコードトーンを含んだ同じ限られた音域のみを含みます。バグルが高い音を演奏する際、基本の音程は必然的に外れており、演奏者は口の形を調整し、正しい音程を得るために強くまたは柔らかく吹く必要があります。演奏者がこの方法で音程を調整すると、彼はその音をリップしています。

余談ですが、古い弦ではギターの単音が音程外れに聞こえることがあります。弦は非均一に伸びることが多く、一部が薄くなる部分ができるからです。薄くなった部分のどこにあるかによっては、一部の目立つ低いハーモニクスが基本音に対して音程外れに感じられることがあります。古い弦を持つギターを調整するのは非常に難しいです！

ここで用いられている「ハーモニック」という用語は、振動する弦の自然なオーバートーンシリーズ、または管楽器での振動する空気柱を指します。もう一つのタイプのハーモニックは、弦楽器でフィンガーやボウを使って特定の位置で弦に軽く触れることで人工的に作成されます。弦の長さの中間地点で軽く触れることで、開放弦よりも1オクターブ高い音を生成します。弦をしっかりとフィンガーボードに押し付けると、通常のオーバートーンを持つ音が生まれますが、この種のハーモニックは純粋な正弦波に近いです。ネックの他の部分でも同様のことが可能であり、一般的な場所は長さの1/3や1/4ですが、他の整数分も機能します。実際、ネックの長さの1/7の場所で行うことで、単一の音の中で自然に発生するオーバートーンと同じく、音楽的に外れた7th（2オクターブ分も含む）が生成されます。

平均律

平均律は隣接する音の間の固定した間隔を使って調律を行う方法であり、自然に発生するハーモニックシリーズには従いません。平均律はオクターブを12の等間隔の音に分けています。任意の音と次の高い音の間の比は1.0595対1であり、ここでの1.0595は2の12乗根です。ギターのネックのフレットはこの比率で配置されており、すべての現代楽器の調律メーターはこの方法を使用して音程が高すぎるか低すぎるかを示します。

何百年も前、金管楽器にはバルブがありませんでした。バグルのように、初期のホーンやトランペットは限られた特定の音しか出すことができませんでした。バルブのないFホーンが高いCを演奏できるとしても、その音は外れており、Cキーで音楽を演奏するにはホーンが不適切です。そのため、演奏者はそれぞれ異なるキーのために設計された複数の楽器を所有するか、置き換え可能なクローク（管の短いセクション）を挿入して全体の管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ロ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やフレンチホー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シリーズの音だけでなく、平均律で音を演奏することができました。

平均律の概念は何千年も前から存在しますが、J.S.バッハがそれを推奨し、現実のものとしました。彼の1722年の『ウェル・テンパード・クラヴィーア』は、彼の時代のキーボード楽器のために書かれた24曲のシリーズであり、各メジャーとマイナーキーの作品が含まれています。これにより音楽的かつ技術的な大きな影響があり、作曲が遠くのキーに移調できるようにし、いくつかの楽器が音程外れに聞こえることを防ぎました。

ジャストインターヴァルと呼ばれる別の調律法は、5度を正確なハーモニック周波数に調律します。その場合、表1の最低E音は164.8 Hzではなく165 Hzに調整されます。弦楽器の演奏者は、隣接した開放弦を演奏し、ビート音（完璧なユニゾンに近づく2つの音によるゆっくりとした音量の変動）を聞きながらこのように楽器を調律することがよくあります。両方の音を同時に演奏し、一つの音の調律を調整して、パルスがゆっくりと止まるまで続けます。異なる音高の2つの音を同時に演奏する場合も、音量モジュレーションがかかっている一つの音を弾くのも違いはありません。得られる音、波形、スペクトルは同一です。

別の調律技法は、ハーモニクスを使用して完全なユニゾンを得る方法です。ギターのA弦を7フレットで軽く触れることで、開放弦よりも1オクターブ半高いE音を生成します。A弦の5フレットでE弦を軽く触れると、同じE音が生成されます。したがって、両方のハーモニクスを続けて演奏し、一方の弦を調律してビートがゆっくりと止まるまで調整します。ハーモニクスによる調律法は、私たちの音高の感受性が低い周波数で特に有効です。

多くのミュージシャンは、表現や効果のために音をわずかにシャープまたはフラットに演奏することを意図的に行います。その音の全体の持続時間にわたって行わない場合でも、下の音から音符にスライドしていくことがあります。音をわずかにフラットに演奏すると、落ち着きの感覚を出すことができ、わずかにシャープに演奏すると、緊張感を生じさせます。また、非常に小さな量、音楽的半音の1/100の範囲で、5セントまたは10セントの範囲について話しています。意図的に音程を外れた状態で演奏するのは、バイオリンやチェロなどの無フレット楽器で簡単にできますし、管楽器の演奏者も口の形を変えることでそうします。ギターリストは、弦を曲げることで大きくまたは小さく音程を変えますが、これは前述のように弦が非均一に伸びる理由の一つです。ミュージシャンはまた、ビートの少し後ろ、または少し前で演奏することもできます - 例えば、10ミリ秒から30ミリ秒の範囲で - これにより落ち着きや緊張感を追加します。

「木製ボックス」楽器

リスニングルームと同様に、何らかのタイプの中空の木製「ボックス」から作られた楽器も、ボックスのサイズに関連した共鳴モードを持っています。モーダル共鳴によって一部の音が他よりもはるかに大きくなるのを避けるために、バイオリン、ギター、および他の木製ボックス楽器は、不規則な曲面の形状で設計されています。これらの楽器はまだモードを持っているが、側面の連続する曲線が特定の周波数とその倍音での強い蓄積を抑えます。

部屋と同様に、共鳴モードが演奏されている音の周波数に近いが正確でない場合、その結果として音程外れのビート音が周波数の違いによって発生します。この現象は「ウルフトーン」と呼ばれ、チェロやアコースティックベースにはより顕著に現れます。多くのチェロでは、E（164.8 Hz）とF#（185 Hz）の間のどこかで強い共鳴が発生します。共鳴が標準の音周波数に正確に合っているかどうかにかかわらず、その音は他の音よりも大きく聞こえ、プレイヤーが弓で制御することがより困難になります。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い弦に取り付けるさまざまな装置がこの効果を減少させるために利用可能です。

木製ボックス楽器には、低い周波数が逃げることを許すために、前面の板に1つ以上の穴があります。アコースティックギターは通常、直径約4インチの円形の穴を1つ持ち、バイオリンファミリーの楽器には、適切に「Fホール」と呼ばれる小文字の斜体の「f」のような形の2つの穴があります。すべての木製ボックス楽器は、図3に示したチェロと同じ基本的な原理を使用して音を生成します。4本以上の弦がフィンガーボードの上にきつく張られ、両端は調整ペグとテイルピースによってしっかりと固定されています。弦の能動的な振動長は、調整ペグの端にあるナットと、ボディに乗っているブリッジの間です。これにより、弦は左右に固定されます。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用されていますが、それらの楽器ではブリッジとテイルピースは「サドル」と呼ばれる単一のユニットです。ここで示したチェロミュートは、振動を部分的に抑えるためにブリッジの上に置かれる小さなラバーのブロックです。