吴慎教授音乐的声学物理特性分析研究报告2112
吴慎教授音乐的声学物理特性分析研究报告 中科院声学研究所 江 峰 一、音乐可视化以及《天音》治疗音乐的声学分析 1.引言 2.音乐信号的LOFAR可视化分析 3.音乐基本要素的提取 3.1音频体征提取 3.2力度特征提取 3.3银色特征提取 4.《天音》治疗音乐的主客观对比分析 4.1著者主观分析 4.2整体客观分析 5.《天音》治疗音乐的局部分析 5.1引子的细节分析 5.2中间主体分析 5.3尾声部分分析 二、吴教授治疗音乐的物理特性浅析 1.声纳与音乐分析方法 2.客观分析与主观感受 3.《天音》CD音乐的初步分析 4.唱诵CD音乐的初步分析 5.吴慎教授治疗音乐的物理特征 三、不同音乐的物理特征研究 1.天音分析 2.纳西古乐 3.花好月圆 4.凤尾竹 5.莫扎特第八钢琴 6.胎教音乐 一、音乐可视化以及《天音》治疗音乐的声学分析 夏威夷大学医学院 中国音乐学院 中国科学院 摘要 音乐治疗在临床医疗中受到广泛关注的同时，对音乐信号的客观分析技术的标准化，已经成为实验研究中的焦点。本文借鉴被动声呐和语音通信中成熟的信号处理方法，建立音乐治疗的乐曲信号可视化研究工具。然后对夏威夷大学医学院研究开发的《天音》治疗音乐进行数据处理，给出音乐基本要素的客观定量分析。结合乐曲著者主观定性分析，文中总结了《天音》治疗音乐临床有效性的声学物理特征。 关键词：音乐治疗，可视化分析，声呐信号处理 1、引言 随着现代医学的医疗模式的转变，音乐治疗在临床医疗中受到广泛关注。应用计算机、物理、生物学等科技手段，与现代医学心理学和传统医学的理论结合，创造出多元化的音乐治疗方法。音乐疗法将在疾病预防、治疗和康复上有广阔的应用前景。 但音乐治疗的效果不仅和治疗乐曲选择相关，而且往往依赖与医、患双方的心理情绪和情感体验等主观因素。实际临床疗效、客观测量评价和主观听觉分析三者之间的脱节，制约了音乐治疗的普及推广，音乐治疗的客观评价标准已经成为极为关心的研究焦点。 本文强调音乐的客观载体是声学物理波，这是音乐治疗的物理基础。本项研究的基本论点：音乐治疗的客观测量评价和主观听觉分析之间是相互关联的。基于上述理解，本项研究建立了音乐治疗的主观听觉分析和客观测量评价的交互研究工具，给出音乐基本要素的客观定量分析方法。 本项研究的主要技术路线是：借鉴两种其它声学领域标准化的分析方法，引入音乐治疗的客观评测，来拓展音乐治疗的研究思路。首先借鉴被动声呐的低频噪声分析方法，这是以精确的统计处理为背景的军工标准。然后是引入ＧＳＭ通信中语音特征提取，这是规范化的国际产业化标准流程。这些相关的研究工作为音乐治疗的客观评测研究提供了有用的参考，文中涉及的声学领域的信号处理算法详见参考文献。 本项研究的重点是：针对音乐治疗临床疗效的物理基础，给出音乐治疗中符合主观感受的客观测量评价方法。夏威夷大学医学院研究开发的《天音》CD音乐，临床疗效令人鼓舞。采用本文建立的交互研究工具,对《天音》进行三种不同特征层的数据分析处理，结合乐曲著者主观定性分析，总结《天音》治疗音乐临床有效性的声学物理特征。 2、音乐信号的LOFAR可视化分析 “音乐是流淌的时间艺术”，数字音频领域最常见的频谱图(spectrum gram)给出音乐的频率的时间历程的可视化图像。与此类似，声呐瀑布显示（waterfall）可视化图像是源于精确统计数学的分析方法。低频率分析记录的三维图像（Lofar——Low-frequency analysis and Ranging），声呐图像对舰艇辐射的声音进行分析，可以确定目标为潜艇、舰船或者商船等不同类型［４］。
图1、音乐信号的LOFAR可视化分析
本文采用LOFAR可视化分析技术改进音频领域的频谱图可视化方法，音乐信号的LOFAR可视化分析的流程图在图1中给出，详细的统计数学和实现技术在参考文献中。LOFAR可视化分析技术分析标准包括如下三点： （一）分频段处理 Lofar可视化分析强调多采样率分频段处理，以实现低音和重低音区的高频率分辨率。近年来的音乐治疗实践中，关注低音和重低音区的音乐振动的生物学效应。根据音乐治疗的特点，考虑Lofar算法的可实现性。Lofar可视化分析的频率划分以500 Hz为中心，具体分带如下：20～50Hz为重低音区，50～150Hz为低音区 ，150～500Hz为中音区，500～5000Hz为中高音区，5kHz以上为高音区。 （二）背景干扰处理 采用背景噪声干扰抑制，和自适应信号增强技术获得高质量的可视化图像。针对计算机噪声背景中民族乐曲，图2、图3、图4给出基于频谱图(spectrum gram)和Lofar可视化分析技术对比。Lofar可视化分析技术可以得到清晰的图像。 （三）自动色彩调节 Lofar可视化分析的动态范围和分辨率是一对矛盾，基于背景谱统计特征估计技术，可以自动设计调色板，获得高质量的优化图像，图5、图6、图7给出三种不同风格的音乐，Lofar可视化分析技术的效果对比。
图2、基于常规频谱图技术可视化图像（含噪乐曲分析）
图3、基于分频段处理的可视化图像（含噪乐曲分析）
图4、基于LOFAR优化处理的可视化图像（含噪乐曲分析）
图5、基于LOFAR优化处理的可视化图像（迪士尼胎教音乐）
图6、基于LOFAR优化处理的可视化图像（天音治疗音乐）
图7、基于LOFAR优化处理的可视化图像（中国民乐交响曲） 图1-7中给出的流程图和对不同乐曲的分析结果,可以看出LOFAR优化处理的优点：（1）良好的抗噪声性能；（2）低音和重低音区的高频率分辨率；（3）自动处理和人机交互相结合。LOFAR优化处理可视化技术保留音乐细节，展现音乐时间历程，使音乐分析向定量客观的方向发展。 ３、音乐基本要素的提取 音乐的特征可以分为低层特征、基本特征、复杂特征和整体特征等，常规计算机分析通常分层次进行特征提取，但是对于复杂乐曲的实践应用效果不理想。
图8、LOFAR可视化音乐分析的模式(整体到局部)
如图8中所示，采用LOFAR优化处理的可视化图像，通过图形方式直接表达这些物理特征的变化实现可视化，这就为音乐物理特征的提取提供了新途径。LOFAR可视化处理关注提取出音乐中的必要的特征，即音乐基本要素：基频、力度和音色。 这种能直观可视的、便于验证的分析方法，对于单音、多音、多声部的乐曲的处理精度都更高。便于可视化音乐分析这种直观科学的手段来解释音乐治疗。 3.1 基频特征提取 图9、10、11中给出基于LOFAR音乐分析的基频特征提取结果。这段乐曲为《天音》起始段，分析频段为0——250赫兹。图9中可以看出基频值为50赫兹，泛音100,150,200赫兹，旁频75,110,125赫兹。为验证分析结果，将分析频段细化为0——125赫兹，可以清楚看到基频线谱结构，图10将分辨率提高两倍，可以获得0.25Hz的频率估计精度。
图9、基于LOFAR音乐分析的基频特征提取（天音起始段，原始图像）
图10、基于LOFAR音乐分析的基频特征提取（分析频段细化一倍）
图11、基于LOFAR音乐分析的基频特征提取（频率分辨率提高一倍） 3.2 力度特征提取
借助可视化的分析方法，还可以提取力度曲线，准确地理解作曲家的力度布局的意图。图12中显示乐曲原始波形，图13中给出乐曲的力度曲线，图14中给出乐曲的力度曲线的统计平滑处理。本文采用的乐曲力度估计算法可以有效 过滤掉次要波动，突出主要力度的波动起伏。
图13、乐曲的力度曲线
图14 统计平滑处理后的乐曲的力度曲线 3.3 音色特征提取 借助可视化的分析方法，采用交互技术提取感兴趣的乐曲片段、或者声部分析音色特征。本项研究提出将声呐工程中的DEMON技术引入音乐分析，以便直观讨论音程与和声。 图15中显示的音色估计结果是局部时间处理片段的分析，图中可以清楚看到倍频泛音结构。图16和图17是对乐曲整体分析的音色估计结果，基于该项研究可以分析乐曲的调式和和声。
图15 音色估计结果（局部时间片断）
图16 音色估计结果（乐曲整体分析） A 调
图17 音程变化估计结果（乐曲整体DEMON分析） 4、《天音》治疗音乐的主客观对比分析 4.1著者主观分析 《天音》著者集合音乐治疗师、作曲家、演奏家、录音师与一体。 4.2整体宏观分析
100赫兹以下
自然一 远离自然一 同归自然 (平衡) (远离平衡) (新的平衡)
5、《天音》治疗音乐的局部分析 5.1引子的细节分析 和弦的重要意义在于它的和谐程度，一个和谐的和弦给人以安宁、平和、悦耳、简单的感觉 和谐。
Track 01_6Khz begian.wav 5.2中间主体分析
Track 01_6Khz 5_6.wav 5.3 尾声部分分析
Track 01_6Khz last.wav 一气呵成的三段式结构 从中亦可见到他在表现乐曲内容方面、整体构思方面的艺术功力和匠心。 二、吴慎教授治疗音乐的物理特性浅析 1、声呐与音乐分析方法 音乐是一种声波，这是音乐的物理基础，所以可以借鉴其它声学领域的方法，采用计算机研究音乐的物理特性。本文采用源于声呐的分析方法：低频率分析记录的三维图像（Lofar——Low-frequency analysis and Ranging），声呐Lofar图像对舰艇辐射的声音进行分析，可以确定目标为潜艇、舰船或者商船等不同类型［４］。 采用该图也可以分析音乐物理特性：比如基频和泛音,幅度分布和频率分布等参数，并且对音乐进行客观评测。同时还可以对音乐录音和制作的质量进行分析。 2、客观分析与主观感受 采用Lofar图像分析研究音乐的物理特性，典型分析图如图1中所示，该图横坐标为时间，单位为分钟，左边表示音乐开始，右边代表音乐结束，显示了音乐变化的时间历程。图1表示《天音》CD音乐[2]Track1段3分42秒到4分18秒的分析结果。 纵坐标为频率，单位为赫兹，这一客观量和音乐中的主观量[音高]相对应。图1表示《天音》CD中Track1音乐段从0赫兹到3000赫兹分析结果。 图中用色彩表示音乐的强度（黑色代表背景，强度最低；金黄色代表最高强度；红色表示中等强度），客观量强度对应音乐中的主观量[响度]。 3、《天音》CD音乐的初步分析
图1 《天音》CD音乐Track1段的低频分析Lofar图像
图2 幅度概率分布 图3 频谱分析 《天音》CD音乐Track1段的典型分析结果示于图1-3中，初步分析结论如下： 3.1.制作精良：实际测量的保真范围较宽,频率动态范围为40赫兹——20K赫兹，幅度动态范围40分贝。声音记录的客观质量优良。 3.2.低音突出：1000赫兹以下的谱级高于2000赫兹谱级20分贝，200赫兹以下低音很强，50赫兹也有稳定的低音谱级，所以该音乐CD也适合体感振动。 3.3.泛音丰富：泛音非常丰富，背景音乐的音高稳定，1000赫兹以下有16个泛音。 4、唱诵CD音乐的初步分析
图4 唱诵CD音乐Track1段的低频分析Lofar图像
图5 幅度概率分布 图6 频谱分析 唱诵CD音乐[3]Track1段的典型分析结果示于图4-6中，初步分析结论如下： 4.1.制作规范：声音记录沿用常规语音记录的方法，频率动态范围覆盖50赫兹—4000赫兹。并且采用了低音提升的方法。 4.2.制作灵活：图７中给出唱诵CD音乐Track4段的低频分析Lofar图像，是明显的音乐编辑整理。唱诵CD音乐Track２段的语音是通信行业的电话语音质量，在100赫兹—3400赫兹频率段。
图7 唱诵CD音乐Track4段的低频分析Lofar图像 5、吴教授治疗音乐的物理特征 采用计算机分析吴教授治疗音乐的物理特性，从语音声学的角度得到的最有特色的结论如下： 5.1.治疗特点：在语音冥想状态下，吴教授治疗的五音“宫、商、角、征、羽”的发音方法有显著的医疗特点：基频是普通人发音的一半，泛音数量是普通人发音的两倍。详见图8和9中。 5.2.共振特点：当五音“宫、商、角、征、羽”的基频下降时，与乐器泛音频率相交产生“和谐”共振的的概率增加。详见图７中。
（吴教授发 “宫”和“商”音） （普通人发“宫”和“商”音） 图7 “宫”和“商”音的低频分析Lofar图像对比
图8 吴教授所发“商”音的频谱（基频134Hz）
图9 普通人发“商”音的频谱（基频234Hz）
（吴教授发 “宫”和“商”音） （弟子屠总发“宫”和“商”音） 图10 吴教授和弟子发“宫”和“商”音的图像对比
图11吴教授在坐姿时所发“商”音的频谱（基频128Hz）
图12 吴教授在站姿时所发“商”音的频谱（基频146Hz）
图13 吴教授弟子屠某发“商”音的频谱（基频205Hz） 参考文献： ［1］吴慎教授,生命之乐(专著),暨南大学出版社,2008 ［2］吴慎教授,生命之乐(天音CD), 暨南大学出版社,2008 ［3］吴慎教授,生命之乐(五音歌CD), 暨南大学出版社,2008 ［4］张鸿懿，音乐治疗学基础，中国电子音像出版社,2000 ［5］江峰，等 彩色视觉门限以及LOFAR 显示的数学模型. 声学学报.1998，23(4)：373-381 页 三、不同音乐的物理特征研究 1、天音分析
太极图案、升降沉浮
尾声
开始
气的运动 时间和频率上很平、传统乐器温和和现代音乐的明快. 2、纳西古乐
五行 应 五脏 低频直接作用 3、花好月圆
4、凤尾竹
适合做理疗 频谱比较均匀 5、莫扎特 第八钢琴
钢琴质量较差 频率不均匀 6、胎教音乐Love
结构简单 现代电子音乐 旋律_ 大脑 情绪
第一共振峰: 625Hz, 第二共振峰2250, 第二共振峰:3375
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