从骨笛到人工智能音乐 【摘 要】 从事音乐科学研究，必须知道该学科的基本属性，是艺术科学？是社会科学？还是自然科学？中西方文艺理论都曾涉及人与自然、主观与客观的和谐统一，这些观点对认识音乐科学的基本属性有很大的启发19世纪欧洲工业革命的兴起，为“心物”关系研究提供了实证条件，费希纳通过大量实验找到了主、客观之间的量化关系；亥姆霍兹则用实验方法探明了音乐的内在规律最早的音乐技术皆与乐器制作有关，从石制乐器、骨笛到编钟，再到管弦乐队的发展，人类从不吝惜用最好的技术来满足听觉审美需求随着科技急速发展，音乐科学与音乐技术的边界已变得模糊不清当前的人工智能音乐追求所谓“端到端”技术风格，很容易千篇一律；作曲家的创作过程本质上是主、客观不断交互的过程，其中蕴含着多年积累的经验和技巧，以及骤然迸发的创作灵感，人工智能很难学到而音乐永远是主观的艺术，无论技术发展到何种程度，音乐科技研究都应以人的听觉感受为本，传统音乐、电子音乐、未来的人工智能音乐乃至机器人音乐都应如此Key】 音乐科技；音乐科学；音乐技术；骨笛；人工智能音乐引言从中文字面上理解，“音乐科技”完整的意思应为“音乐科学与技术”，对应的英文应该是music science and technology，但英文文献中常见的词汇却是music technology，并不包含science，一些国外大学的专业目录经常使用的也是Music and Technology（音乐与科技）。
笔者曾问过国外同行music science与music technology的区别，他们说music science一般指用科学原理分析、解释音乐现象的学科，等同于系统音乐学（System Musicology）；music technology则多指技术性、实践性较强的音乐专业笔者分析认为，系统音乐学发源于欧洲，主要包括基本乐理、乐律学、音乐声学、音乐心理学、乐器学以及作曲技术理论（不含创作）等，其特点是用科学实证方法研究音乐的基本属性和规律，这意味着系统音乐学本身就具有较强的艺术与科学的双重属性德语中的“音乐学”（Musikwissenschaft）一词就是音乐（musik）与科学（wissenschaft）两个单词的合成体我国的教学体制将系统音乐学学科一分为二，作曲技术理论部分被划归作曲系，其余皆被划归音乐学系音乐学系因主要承袭音乐史学、民族民间音乐和音乐评论的研究传统，社会科学色彩比较浓厚；而作曲系一般以音乐创作为中心，通常不太重视研究技术理论的科学内涵，这些都导致系统音乐学原有的科学属性被整体弱化近年来，为赶上国外音乐科技的发展速度，国内很多音乐院校组建与音乐科技相关的院、系和专业，此举对解决我国音乐科学研究长期“贫血”的问题有一定帮助，然而新专业往往偏重技术和制作，忽视了音乐科学层面的理论建设，因此中国音乐理论体系的科学短板依然存在，在技术层面也很难拿出具有自主版权的成果。
受邀撰写此文，笔者主要依据的是多年从事律学、音乐声学和乐器学研究与教学的工作经验，包括2011至2017年在中国音乐学院组建、管理音乐科技系过程中积累的一些心得，希望能对刚进入或准备进入音乐科技领域的同学、同行有所帮助另外需要说明的是，鉴于我国较少使用“系统音乐学”一词，为表述清晰，笔者用“音乐科学”指代那些属于系统音乐学的学科，用“音乐技术”指代技术性和实践性较强的学科（如音乐制作、录音、乐器工程等），二者重叠时使用“音乐科技”一、音乐科学发端于对心物关系的探索从事音乐科学研究，必须要知道这个学科的基本属性，是艺术科学？是社会科学？还是自然科学？在没有出现音乐科技专业之前，从事音乐科学研究的人通常来自两个领域：音乐领域或科技领域不同的知识背景肯定会影响人看问题的角度：有音乐背景的人习惯以主观感受为中心，强调音乐的主观性；有科技背景的人更相信仪器，一切以客观数据为依据笔者认为，在这个问题上要特别重视汉代《礼记·乐记》中的一段话：“音之起，由人心生也人心之动，物使之然也感于物而动，故形于声声相应，故生变；变成方谓之音[1]此言明确告知我们音乐具有主观和客观双重属性，主、客观之间有规律的互动和变化才形成音乐。
这一观点虽产生于汉代[2]，但在今天仍可作为认识音乐科学属性的座右铭它与老庄所崇尚的“天人合一”观点也有某种契合之处：“天”可类比为《乐记》中的“物”，“人”即《乐记》中的“心”，当“心物合一”的时候，才能产生美妙的音乐西方音乐科学理论的原点在古希腊，作为哲学家兼数学家的毕达哥拉斯经常思索音乐与数学的关系，其理论的独特之处在于，他把宇宙、人和音乐三者的关系都用整数比来表达，并推测所有行星轨道间存在协和的“天体和音”，只因人类缺乏听到这些“天体音乐”的能力而无法欣赏毕达哥拉斯对音乐的具体贡献是提出了建立在简单整数比基础上的五度相生律理论，该理论至今仍被音乐界广泛使用从《乐记》的“心物论”、老庄的“天人合一”到毕达哥拉斯的“天体音乐”，这些观点都涉及人与自然、主观与客观的和谐统一，对认识音乐科学的基本属性帮助极大，启发性更强只是限于古代的生产力和科技水平低下，这些宏大想象和理论假说只能留待后人给予验证19世纪欧洲工业革命的兴起，不仅促进了人类生产力的发展，也给“心物”关系研究提供了实证条件在此背景下，医学出身的德国哲学家兼物理学家古斯塔夫·西奥多·费希纳（Gustav Theodor Fechner，1801—1887）首先通过大量实验找到了主、客观之间的量化关系。
他在1860年出版的《心理物理学纲要》（Elemente der Psychophysik）中，用一个简明的公式将多年辛勤实验的成果展现给世人，即S=KlgR（S是主观感觉强度，R是客观量强度，K是常数，lg是常用对数符號）[3]该公式表明：主观感觉量与客观物理量之间是一种对数关系，当主观感觉量按算数级增长时，相应的客观物理量以指数级增加以音高感知为例，当我们主观感觉上听到国际标准音高A时，其对应的客观物理量是频率为440Hz的振动（Hz代表每秒钟的振动次数）高1个八度时，其对应的频率要乘以2（440×2=880），高2个八度要乘以4（440×4=1760），高3个八度要乘以8（440×8=3520），依此类推[4]人耳对音量的感知也符合费希纳定律，譬如目前我们常用的衡量音量大小的“分贝”（dB，用来表示声压级的单位）与所对应的物理量声压也是对数关系：分贝=20log10（p/p0）（公式中，p代表被测发音体的声压，p0代表介质的基准声压，空气的基准声压为20微帕）根据公式可知，若空气中发音体（客观量）增加1倍，声压级（主观量）只增加6分贝具体以小提琴为例，假设1把小提琴的平均音量为40分贝，2把小提琴的演奏音量则约为46分贝，4把小提琴约为52分贝。
假设大型管弦乐队拥有32把小提琴，其全奏时的总音量理论值约为70分贝费希纳定律不仅适用于听觉和视觉，还适用于嗅觉、温感和压感等感知系统，在哲学、心理学、美术学和音乐学领域都产生了巨大影响费希纳在研究过程中甚至付出了健康的代价，为获得视觉实验的第一手资料，他的眼睛受到太阳光的灼伤，但他依旧对自己的理论创建感到自豪，他说：“巴别塔因工人们语言混乱而无法建成，而我的心理物理学之塔则因无懈可击而永存于世[5]然而费希纳定律后来还是被一些实验证明存在局限性，即当客观刺激量超出一定强度范围时，相应的主观感受会出现偏差以音高感知为例，当振动频率超过中、高音区时（约在大字组至小字三组之间），人的感知就会出现异常；音量感知的情况也与之类似这种情况属于音乐中大量存在的非线性现象，即客观量输入与主观量输出的不对等性，主要由主观听觉系统生理结构的复杂性所导致，而这也是音乐科学研究中特别值得注意的问题二、音乐科学的成熟来自对乐音结构的探索费希纳的研究虽然没有在音乐领域产生直接影响，但引发了另一位德国科学巨匠投身于音乐声学感知研究，并由此对近代音乐科学的发展产生了深远影响，他就是著名生理学兼物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821—1894）。
亥姆霍兹较为突出的贡献包括：用自制的共鸣器验证了复合音中泛音的分布以及泛音与音色之间的量化关系；通过对耳蜗的生理解剖，创立了音高识别的“竖琴说”；通过实验证明拍音对主观协和感的影响并提出相关量化理论对音乐研究者而言，亥姆霍兹最傲人之处是展示了如何用巧妙的实验方法来探明音乐的内在规律常言道“耳听为虚，眼见为实”，音乐就属于看不见摸不着的“虚体”，亥姆霍兹所处的时代，并没有今日常见的电子测量手段，甚至没有电力供应，那么他是如何打开音乐“黑匣子”的呢？通过阅读他的《论音的感觉—音乐理论的生理学基础》（On the Sensations of Tone： As a Physiological Basis For the Theory of Music）可知，他主要采用了费希纳的心理物理学实验模式，即通过精确控制物理变量来观察、记录主观感知量，由此获取声波中的所有信息亥姆霍兹超越费希纳之处在于，他用自己设计的工具—亥姆霍兹共鸣器（图1），探测到了不可见的声音这种研究模式不仅极大地推进了音乐声学、音乐生理学和音乐心理学的研究，还为欧洲的系统音乐学发展奠定了更为坚实的科学基础享誉世界的音乐学家施通普夫（Stumpf，1848—1936）、里曼（Riemann，1849—1919）和霍恩博斯特尔（Hoenbostel，1877—1935）等人都曾受到亥姆霍兹的影响，他们将亥姆霍兹的研究模式完整地继承下来并应用于和声学、比较音乐学和民族音乐学研究中。
如果说费希纳率先以实证方式打开了连通主、客观世界的大门，那么亥姆霍兹则让音乐科学走向成熟有意思的是，音乐研究只是亥姆霍兹的“副业”，他主要是因在“能量守恒定律”（他是重要贡献人之一）、“亥姆霍兹速度分解定理”、“亥姆霍兹自由能”和“亥姆霍兹方程”等方面的贡献而赢得了国际科学界的尊重当然，亥姆霍兹的某些音乐理论在今天看来也存在一定缺陷，如音高辨识方面的“竖琴说”、协和感知方面的“拍音说”以及音色感知方面的“泛音列说”等[6]这或许从另外一个角度说明，较之纯粹的数理科学，音乐科学研究由于有主观因素的参与，其复杂度和困难度更高，研究结果被质疑、补充和进一步完善的概率也更高三、欧洲音乐科学对中国音乐理论的影响研究音乐科学有何意义？它对中国音乐能产生哪些影响？对此，可用前面提及的两位人物的经历，以及他们的研究对中国音乐所产生的影响，来加以说明作为亥姆霍兹科学思想的崇拜者，施通普夫坚持以实证主义的观念全身心地投入对乐音和音乐感知的深入研究：他与霍恩博斯特尔等人合作建立了著名的柏林音响资料馆，专门搜集整理东南亚、太平洋沿岸各国（包括中国）[7]和美洲印第安人的音乐；他还与霍恩博斯特尔和英国工程师兼音乐学家埃利斯（Ellis，1814—1890）等人共同创立了比较音乐学（Comparative Musicology），从音响比较的角度对不同民族的音乐进行形态学研究；随后，又在比较音乐学基础上加入文化背景元素研究，将其发展为当今拥有广泛影响力的民族音乐学（Ethnomusicology），这一学科对中国民族音乐研究的影响有目共睹。
同样作为亥姆霍兹研究模式的继承者，里曼则专注于将乐音、音程听感研究与欧洲古典音乐联系在一起[8]他归纳总结的“功能和声体系”对音乐教学和创作都产生了深远影响中国学界最为熟悉的斯波索宾和声学体系的内核基本上都源自里曼的研究基于对自然泛音列和音级理论的认同，加之斯波索宾和声学教材的普及，功能和声理论对中国音乐创作和分析理论的发展所起到的作用既广泛又深远然而随着比较音乐学和民族音乐学的兴起，里曼体系在中国、印度、印度尼西亚爪哇岛以及阿拉伯国家和地区的民族音乐面前，包括面对欧洲晚。