音乐的科学

玉琳

大约4万年前，一根细长的骨笛被丢弃在中欧的一个洞穴里。该仪器雕刻有五个指孔和一个锥形吹口，大约可以追溯到人类在非洲大陆定居的初期。

人类创作音乐已经有很长一段时间了。

就连那支笛子可能也是我们音乐发展历程的一个近期例证。其精巧的设计显示出对声学的了解，可能借鉴了长期存在的音乐习俗。但更早期实践经验目前还不得而知，因为第一首音乐肯定是借助身体和声音创作的，并随着创作者的死亡而消亡。查尔斯·达尔文认为我们的音乐行为是“最神秘的行为之一”。至少在起源方面，他的观点仍能引起共鸣。

探索石器时代笛子吹奏手闯入欧洲大陆之前的音乐才能的一个方法是研究原始人解剖学。化石显示，我们的南方古猿祖先拥有类似大猩猩的发声结构，而大猩猩却不能唱歌。但是我们与尼安德特人最后的共同祖先海德堡人，却拥有与现代人非常相似的发声生理机能。鉴于海德堡人至少在50万年前就已经进化了，音乐可能有50万年的历史。

当然，有制作音乐的能力并不能证明当时音乐已真正被创造出来。音乐是否重要到足以推动进化——为最具音乐天赋的人提供选择性优势？抑或它只是其他进化结果的附属品，就像语言那样？

哈佛大学认知心理学家史蒂文·平克将音乐比喻为“听觉乳酪蛋糕”。音乐是一个人类学习来制作和传递情绪的事物，就如同蛋糕对于舌头上的味蕾一样。作为对立面，牛津大学进化心理学家罗宾·邓巴认为，在灵长类动物中，唱歌在培养社会凝聚力方面可能与梳毛同等重要。这种“远距离梳毛”可能比捉虱子更有效，可能促进了人类群体的和谐共处。

音乐无疑有助于强化现如今的小圈子，尤其是在青少年的播放列表中占据主导。

凯尔特军号

凯尔特军号是一种很有用的工具，它们造型怪异，大多呈现动物头部的模样，比如野猪，也有一些是神话中的动物形象。据说这种乐器发出的声音极其恐怖，而且有着强大的魔力，可以让凯尔特战士像中魔一样奋勇杀敌。而且凯尔特军号还有一个精妙的设计，这些号角的咽喉部位是可以活动的，当号角声响起，动物的头部也会跟着转动，如同活的一般，从而起到震懾敌人的作用。

苏格兰考古学家研究了1816年从沼泽中挖掘出来的最完整的凯尔特军号，想要实际听到它的声音，于是他们委托金属工匠约翰·克里德用青铜和黄铜制作了一个复制品。400个小时的细致工作后，制造出了这种凯尔特人引以为豪的乐器。

音乐家约翰·肯尼现在演奏所用的是在苏格兰班夫发现的凯尔特军号的摹本。它有足够的尺寸和复杂的设计，包括一个铰接的下颚和一个弹簧上的木制舌头，提供可与任何现代乐器相媲美的音乐灵活性：覆盖五个八度的范围。凯尔特军号可以压倒长号或长笛，甚至发出尖叫等特殊效果。

一部抒情的词典

音调

特定音高的单一乐音，也称为音符。

音高

音调的音质，根据声波的频率发出更高或更低的声音。

共振

通过声音振动与表面或封闭空间的相互作用来放大音乐音调。

音量

声音振动的压力，用音乐的响度来表示。

节拍

节拍是音乐中的重拍和弱拍周期性地、有规律地重复进行。

旋律

为达到音乐效果而排列的一系列单独的音调，也称为曲调。

和弦

和弦通常是由三个或三个以上的乐音按一定的法则纵向重叠而形成的音响组合，是和声的组成部分。

和声

和声包括“和弦”及“和声进行”，和弦的横向组织就是和声进行。和声有明显的浓、淡、厚、薄的色彩作用。

颤音

利用周期性音调的一种小的、快速的调制，颤音的合理运用可以使音乐更加优美动听，提高艺术的感染力。

流行音乐的演变

自1958年8月4日以来，《公告牌》杂志每周都会根据唱片销量、在电台播放次数以及最近的流媒体收听量，整理出一份最受欢迎的100首歌曲榜单。对于伦敦帝国理工学院进化生物学家阿尔芒·勒罗伊来说，这一排行榜相当于对文化的化石记录。勒罗伊和他的同事们利用音频分析技术，将50年来上榜的歌曲抽取17000首样本进行分类，他们使用统计学技术提取出音乐的特征如音色和和音，就像野外生物学家对物种进行分类一样。

这13个分类涵盖了从1960年到2010年的所有音乐风格。它们的分组依据是和弦变化和音调形式上的相似性。诸如“乡村”这种标准类型名称经常出现在多个类别中。勒罗伊的分析显示，有些乡村歌曲与某些摇滚曲调的相似度或许超过了与其他以乡村曲风推广的歌曲的相似度。

这些表显示每年音乐类别的相对流行度，以宽度表示。阴影部分表示过渡。最戏剧性的转变发生在1991年，那时嘻哈音乐开始占领美国。早期的两次音乐革命是60年代中期的摇滚乐大爆发和80年代中期出现电子合成器和机械鼓机。这些新乐器产生了广泛的影响，以至于1986年成为有记录以来音乐多样性最少的一年。

该表显示了13个类别之间的更高层次的关系。例如，蓝调摇滚和电子音乐之间的相似之处要比这两种音乐类型和嘻哈音乐之间的相似之处多。

什么使音乐流行？

乔治敦大学的神经学家诺尔贝托·格雷兹瓦兹不用听就能预测歌曲的流行程度。通过分析1958年至1991年间《公告牌》百强单曲榜上的数百首热门单曲，他和同事们发现了一个他们称之为“和声惊喜”的因素，这似乎可以解释所有艺术家的歌曲成功的原因。

问：什么是和声惊喜？

答： 音乐家使用大量的和弦来谱写他们的旋律。有些和弦经常使用，有些则很少使用。给和声进行一点惊喜：和声先现！是为了让下一个和声提前出现。在原本不属于下一个和弦的拍子上出现了下一个和弦的音，给人一种“抢先”的感觉，在弱拍上使用先现音，会使节奏显得不呆板而更有生气。

问：这与歌曲的受欢迎程度有什么关系？

答：我们发现和声惊喜和歌曲流行度之间存在两种类型的联系。首先，拥有许多令人惊讶的和弦歌曲往往比和声不那么令人惊讶的歌曲更容易接近公告牌百强单曲榜的榜首。第二，歌曲流行的原因是这首歌的各个部分的惊喜变化。一首歌的两个主要部分是诗文和合唱，这些诗文讲述了这首歌的故事。合唱是那些有重复歌词的部分。我们发现，在成功的歌曲中，诗歌的和声惊喜往往高于合唱部分。

问：哪些流行歌曲表现出惊人的理想组合？

答：在甲壳虫乐队的《艰难的一天的夜晚》中，开场和弦是我们分析过的所有歌曲中最令人惊讶的和弦之一。然后，当歌曲从诗文过渡到合唱时，和声惊喜就会减少。

另一方面，有几首歌曲对其他成功的艺术家来说是相对失败的。这些歌曲包括猫王的《朱迪》，甲壳虫的《我不想破坏派对》和奇想乐队的《直到一天结束》。我们的研究结果或许可以解释为什么这些歌曲“失败”。它们的低音和惊喜以及诗歌和合唱之间的惊喜都很少。

问：你的公式能帮助艺术家写出更吸引人的歌曲吗？

答：我经常开玩笑说，我们可以为音乐家提供如何让他们的歌曲流行的富裕建议。然而，成为一首热门歌曲的道路不仅仅是探索和声惊喜。节奏、歌词等因素对歌曲的成功起着重要的作用。尽管如此，我们的实验室一直在用计算机生成的“旋律”进行一系列实验，这些实验在惊喜中各不相同。我们已经要求受试者按照偏好顺序对这些歌曲进行排名。虽然这些旋律是由计算机生成的，但人们展示的偏好与我们在谐波惊喜中发现的原则很吻合。

音乐是有语义的

会沉浸在一首优美悲伤的民谣中，或是沉浸在死亡金属的强烈愤怒中的听众，就会明白音乐的传达的意思。但是法国国家科学研究中心的语言学家菲利普·施伦克认为，音乐不仅仅是一种表达情感的方式。通过模仿我们在日常生活中体会声音的方式，作曲家在音乐中加入了极其细微的变化来帮助讲述他们的故事。

当乐器的音高低于周围的声音时

含义：声源较大。

原因：较大的声源具有较大的共振腔。

现实的例子：吹号角的大象。

音乐方面的例子：卡米尔·圣桑的《动物园大幻想曲》的“大象”。

当音乐的音调降低时

含义：声源正在失去能量。

原因：运动变慢会产生低频声音。

现实的例子：一个电池快没电的磁带播放器。

音乐实例：弗雷德里克·肖邦《夜曲》的最后两小节。

当乐器的音量比周围的声音小时

含义：声源不那么精力充沛。

原因：低能量声源产生较小的声压，从而降低音量。

现实的例子：一个轻轻吹响的口哨。

音乐例子：弗雷德里克肖邦的《雨滴》序曲的最后一个曲目。

当音乐的音量增大时

含义：聲源正在靠近。

原因：声源越靠近，听者听到的声压（音量）越大。

现实世界的例子：即将到来的汽车。

音乐实例：在古斯塔夫·马勒的第一交响曲的第三乐章“弗雷尔雅克”。

当音乐的节奏比以前慢的时候

含义：声源移动得更慢。

原因：声音表示来源的行为。

现实的例子：缓慢的脚步。

音乐例子：在卡米尔·圣桑的《动物园大幻想曲》中的“龟”。

当颤音增大时

含义：来源更情绪化。

原因：声音的颤音似乎表明在情感环境中声音控制能力下降。

真实世界的例子：颤抖的演讲。

音乐方面的例子：马克斯·布鲁奇的《科尔·尼德利》。

音乐厅的声学

维也纳音乐厅被誉为世界上最伟大的音乐厅，其卓越的音响效果在很大程度上归功于一次意外。该建筑是19世纪60年代风格偏好和工程限制的副产品。阿尔托大学的声学家塔皮奥·洛基和尤卡·帕蒂纳分析了这个著名的“鞋盒”音乐厅，以理解为什么在那里演奏的音乐受到了普遍的好评。

1.侧壁

声音在房间周围反射时会变得丰富，所以不会一下子传到人们的耳朵里。音乐厅的侧壁很窄，且布满了雕像，这对增加侧壁的声音反射特别有帮助，会产生混响，使听众感到完全沉浸在声音中。

2.阳台

低音乐器的低频声音需要非常宽的表面才能正确反射。深侧阳台为低频散射提供了足够的空间。阳台与礼堂的侧壁一起确保了全方位声波的循环。

3.天花板

音乐厅的高天花板提供了另一个延迟，甚至比墙壁和阳台提供的更长。镀金的表面可以有效地反射高频，天花板的表面处理也可能有助于音乐的整体亮度，形成了一个巨大的共鸣箱。

4.地板

许多现代音乐厅优化了体育场座位的视线，但阶梯式地板和笨重的椅子在声学上是有害的。高背座椅阻挡了从房间周围反射过来的声波，阻止音乐完全包围听众。音乐厅的平地板和椅子下的空间也让观众能够听到渐强的低频率。

5.舞台

舞台升高，地面平整，会降低观众对音乐家的视觉感，但视觉上的劣势被听觉上的积极影响所抵消。额外的高度使观众无法听到舞台上反射的声音，从而改变了音乐的“感觉”。硬木舞台地板通过不共振来增强低音音调;共振阶段在振动时吸收声能，减少房间其他地方的声能。

6.风琴

即使没有人演奏风琴，它也扮演着重要的角色。该仪器的位置完美地向四面八方扩散声音，并将更多的声能传送到侧壁，以最大限度地扩大环绕混响。这种扩散还可以防止声波在播放音符后长时间在房间内反弹，此时它可能会分散注意力。