五度相生律、纯律和十二平均律的结构及频率计算方法
田 阔
音乐的律制在音乐史上始终是人们所探讨的问题之一,其研究的核心是音与音的频率关系。自古至今,律制的标准是很多的,其中五度相生律、纯律和十二平均律是影响最大的三种律制。如今,世界上广泛应用十二平均律,但五度相生律和纯律的影响仍然十分巨大,并且也是讨论乐器原理所必然要涉及到的。古代还曾出现过如中庸平均律等律制,现在基本已经淘汰。
在探讨音律的问题之前,首先应该认识到这样几个基本问题:
一、音的频率体现了音的高低,高音比低音的振动频率高;
二、相差八度的两个音,频率比为1:2,例如小字一组的c1音的振动频率是小字二组的的c2音的振动频率的二分之一;
三、所讨论的音频一般限定在一个八度之内,如计算到八度以外,则应在频率上乘或除2的整数次方倍,以使这个音回到这个八度以内的同音名的音。
音律讨论的是音与音之间的关系,所以我们必须还要有一个参考音为标准,这里假设以小字一组的c1音为基准,设其频率为x。
(一)十二平均律和音分概念
十二平均律是将一个八度等分为十二份,作为十二个半音。从声学的角度,两个音程相等(例如c1-#c1和#c1-d1)表示这两个音程中各自两个音的频率比相同,而不是频率差相同(#c1与c1的频率比等于d1与#c1的频率比)。c1的频率为x,假设#c1的频率为y,则 y/x 即是十二平均律中的半音关系频率比。设y/x=t 为这个固定比例,则:
xt 表示的是#c1 的频率, (xt)t=xt2表示的是d1的频率,依次类推,可以得到c2的频率为:
xt12=2x , 则 t= =1.059463
由此可以计算出八度以内每个音的频率 (以c1为标准1):
音名 c1 #c1,bd1 d1 #d1,be1 e1 f1 #f1,bg1 g1 #g1,ba1 a1 #a1,bb1 B1 c2
频率 1 1.0595 1.1225 1.1892 1.2599 1.3348 1.4142 1.4983 1.5874 1.6818 1.7818 1.8877 2
若再将每个半音等分成100份,每一份称为一个音分,则每两个音分之间的频率比t'为:
t'= =1.0005778
可以看出,在十二平均律中,两两半音之间的频率比为1.059463,音高每差一个音分,高低音频率比为1.0005778倍。
为了方便计算,我们引入对数算法,则有:
12ln t=ln2, ln t= 0.05776;
100ln t'=ln t, lnt'= 5.776×10-4
这样,音频之间的比例关系就转化为对数的加减关系了。
现在,我们看一看一般乐队对音时所用440Hz (国际标准音a1) 和442Hz 相差多少音分:
Δ= =7.852 (音分)
如果将a1降低两个八度即大字组A音,频率为440/4=110Hz,若音准差也为2Hz,即112Hz,其相差的音分数为:
Δ=ln(112/110)/lnt'=31.195 (音分)
由此可见,相差相同的Hz数,越往低音方向,音的偏差就越大。
(一)五度相生律
五度相生律的音的产生方法是,以一个音为基准,分别向上下按照纯五度方式产生出音阶中的其他音。一般以C音为基准,产生出的音列为:
…bF-bC-bG-bD-bA-bE-bB-F-C-G-D-A-E-B-#F-#C-#G-#D-#A-#E-#B…
← ↑ →
向下 中心 向上
所谓五度关系其实在物理本质上是体现了两个音频率的3:2的关系,即某个音的上方纯五度音频率为该音的1.5倍,而其下方五度音的频率为该音的2/3(如g1的频率是c1的1.5倍,f的频率是c1的2/3,将f音提高八度,则f1的频率是c1的4/3)。那么,首先算出C大调音阶的几个音相对于C音的频率比和音分差:
音名 C D E F G A B
推算次数 0 2 4 -1 1 3 5
与C频率比 1 9/8 81/64 4/3 3/2 27/16 243/128
1 1.125 1.2656 1.3333 1.5 1.6875 1.8984
音分差 0 203.91 407.78 498.04 701.96 905.86 1109.74
如果再向上方和下方进行推算,就可以算出带升降号的各个音与C音的频率比。注意,这里的升降号是绝对不可以互换的。我们计算一下就能明白。例如bG和#F这两个音,bG是由C音向下方推算六次获得的,其频率为 1024/729 (1.4047),转化为音分值为588.27;#F是由C音向上方推算六次获得的,频率为 729/512 (1.4238),换算成音分值为611.73。由此可见,在五度相生律中,bG比#F要低。同样可以算出,bD比#C低,bA比#G低…-…,这种差别在以五度相生律为基础的音乐中是十分重要的,限于篇幅,就不多谈了。
另外,在以五度关系产生的音列中,很容易找到自然大小调的音阶:任何相邻的七个音可以组成以从左面数第二个音为主音的自然大调音阶,或以从右面数第三个音为主音的自然小调音阶。
(三)纯律
纯律的计算方法是这三种律制中最为复杂的,其产生办法与首调概念密切相关,一般基于以下两个推算原则:
1、某个音的上方纯五度音与这个音的频率比为3:2;
2、某个音的上方大三度音与这个音的频率比为5:4(适用于计算大调音阶),或这个音的上方小三度音与这个音的频率比为6:5(适用于计算小调音阶);
以C大调音阶为例,以C音为中心,各个音的推算方法如下:
A(F的上方大三度) E(C的上方大三度) B(G的上方大三度)
↑ ↑ ↑
F←--(纯五度)--------C-----(纯五度)----→G------(纯五度)------→D
由此可以计算出以纯律为基础的C大调音阶的各个音的频率关系和音分值:
音名 C D E F G A B
与C频率比 1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8
1 1.125 1.25 1.3333 1.5 1.6667 1.875
音分差 0 203.91 386.31 498.04 701.96 884.36 1088.27
可见,C大调音阶中按纯律推算出的E、A 和B三个音均比五度相生律和十二平均律中相对应的音要低一点。如果作进一步的推算,就可以产生一个纯律所特有的体现音与音关系的"网",可以通过这个"网"算出其他音的频率和音分值。纯律之所以复杂,就是因为它体系中的音不仅象五度相生律一样会出现如bD和#C不等音高的状况,有时即使是同一个音,在不同的首调中也可能出现不同音高的现象,这就造成了尤其是键盘乐器在音乐转调上的巨大困难。古人曾为解决这个问题设计出了十分复杂的键盘系统,但终究没有推广开来。
附:按照纯律推算音频的关系图(部分),其中带箭头的横线表示纯五度关系,指向右上方的斜线表示上方大三度关系,指向右下方的斜线表示上方小三度关系;通过简单的计算可以得出,在这个关系网中,同音名不同位置的音的频率是不同的(如左侧的F和右下方的F音高就不同)。这个图还表示了自然大小调的音阶:图中任何一个上三下四的梯形表示了一个以下面一行第二音为主音的自然大调音阶;任何一个上四下三的梯形表示了以上面一行第二个音为主音的自然小调音阶。
(四)三种律制的比较
以C大调音阶为例,现在可以总结一下三种律制的区别(以音分差为标准):
音 名 C D E F G A B C
五度相生律 0 203.91 407.78 498.04 701.96 905.86 1109.74 1200
十二平均律 0 200 400 500 700 900 1100 1200
纯 律 0 203.91 386.31 498.04 701.96 884.36 1088.27 1200
这三种律制在应用上是各有长处的:五度相生律的音与音之间的关系都是非常和谐的纯五度,音与音的先后接合自然协调,适用于古代早期的单音音乐;纯律根据自然三和弦定律,在和弦音的同时接合时纯正而和谐,一般适用于复音音乐;十二平均律实际上是一种非常机械的律制产生方法,属于是五度相生律和纯律的调和产物,在音的先后接合和同时接合时都不十分纯正自然,但由于它转调十分方便,在键盘乐器的演奏和制造上均有许多优点,因此后来被广泛采用。
木管乐器的制作一般是按照十二平均律的原则,而铜管乐器的泛音音列几乎完全符合纯律的体系(有机会再讨论这个问题)。我认为,在没有象钢琴那种完全不能改变某个音高的乐器时,一般情况下,乐队的演奏应该以纯律的原则为基础,这样演奏出来的音乐一定和谐优美。当然,只有非常熟练的演奏员才能体会到这种差别。但对于人的耳朵来说,纯律音乐还应当是最美的。
实际上,律制的结构和应用是十分复杂的,在这里只能作比较简单的介绍。注意一点,音乐中对律制的应用不是死板的,往往与音乐的内容,作曲家的要求,指挥的演绎,演奏者的水平等等都有很大的关系。即使是最伟大的演奏家,也不可能完全严格按照某种律制来演奏音乐。律制虽然是严格的,但应用应该是有所变通的。另外,世界各地均有其民族独特的律制结构,不同风格的音乐有时也会应用不同的律制。在演奏民族音乐、地方音乐或特殊风格音乐时,只有按照其特有律制来进行,才能更好的体现它所应有的特色。这大概就是音乐中所要求的某中"感觉"吧。