同じ「ド」でも弾く人で音色が変わる ピアノの100年来の謎に指先の動きで答えた

編集・パクト

鍵盤をどう押すかで音の「色」が変わる。演奏家が昔から信じてきたこの感覚を、鍵盤の位置を1秒に1000回測るセンサーを使った実験が裏づけた。

鍵を握っていたのは、指先のごくわずかな動きだった。

この問題は、海外では「100年来の謎」とも呼ばれてきました。

そもそもピアノの「音色」ってなんの話?

同じ高さの音なのに印象が変わる

ピアノで同じ鍵盤をたたけば、出てくる音の高さ(ドやレ)は同じはずだ。それなのに、ある人が弾くと音が明るく軽やかに、別の人が弾くと暗く重たく聞こえることがある。

この「音の質感」のことを、専門的には音色(ティンバー)と呼ぶ。

演奏家たちは昔から、音色を「あたたかい」「暗い」「明るい」「重い」といった言葉で語り分けてきた。同じ楽器・同じ高さの音なのに、弾き手によって別物に聞こえる。

これがピアノの不思議なところだ。

そもそも一つのピアノの音は、たった一つの周波数でできているわけではない。土台となる音の上に、倍音と呼ばれる高さの違う響きが何層も重なっている。

この倍音の混ざり具合が変わると、人の耳には「明るい」「暗い」といった音色の違いとして届く。

難しいのは、その違いを生み出しているのが何なのかという点だ。弾き手のタッチなのか、それとも単なる音量やタイミングの差なのか。

耳では違って聞こえても、原因を切り分けて示すのは意外なほど難しかった。

音楽家と科学者、長年の論争

この音色の違いが本物なのかどうかは、100年以上議論されてきた。

論文が参考文献に挙げているだけでも、1913年に英科学誌『Nature』に「ピアノのタッチ」と題する記事が載り、1925年には米国の研究者オルトマンが、演奏者のタッチがピアノの音に与える影響を実験で調べた本を出している。

鍵盤を押す「タッチ」だけで音色を変えられると主張する音楽家がいる一方で、科学者のあいだには慎重な見方もあった。

慎重派の論点はこうだ。ピアノの音は、原理のうえでは「ハンマーが弦を打つ瞬間の速さ」でほぼ決まる。だから同じ強さで打てば、指の動かし方をどう変えても音そのものは同じはずだ、という考え方だ。

音色が違って聞こえるのは、音量やタイミング、あるいは打鍵に伴う雑音などの副次的な要素のせいではないか――そう見る立場である。

ただし実際には、こうした副次的要素まで含めれば「違いは聞き取れる」という実験結果も過去にあり、論争は単純な「本物か気のせいか」の二択ではなく、もう少し込み入ったものだった。

いずれにせよ、長らくこの論争に決着をつける決め手がなかった。人間の指の動きはあまりに速く、細かすぎて、これまでの計測では追いきれなかったからだ。

耳で感じる「なんとなくの違い」を、だれもが納得する証拠として示すのは簡単ではなかった。

鍵盤の奥で起きていること

そもそもピアノは、鍵盤を押すと内部のハンマーが弦をたたいて音を出す仕組みだ。鍵盤と弦は直接つながっておらず、間にハンマーという「中継役」がいる。

指の力はてこを通じてハンマーに伝わり、ハンマーが弦を打つ。

しかもハンマーは、弦をたたいた次の瞬間にはもう弦から離れる。

だから「弦に伝わるのはハンマーがぶつかる瞬間の速さだけ。指をどう動かしても、その速さが同じなら音は変わらないはず」と考える科学者がいた。

けれど演奏家の感覚は違った。鍵盤を底まで沈めるときの押し方、指が鍵に触れる微妙な角度、力の抜き方――そうした細部が音色を左右すると、彼らは経験から知っていた。

今回の研究は、この食い違いに実験で答えようとした。

鍵盤の動きを1秒に1000回測る

88鍵すべてを見張る「HackKey」

この謎に挑んだのが、ソニーコンピュータサイエンス研究所(ソニーCSL)とNeuroPiano研究所の研究チームだ。

論文はKaori Kuromiyaさん、Yuya Kobayashiさん、Masato Hiranoさんの3人が同等の貢献をした筆頭著者で、責任著者は古屋晋一さん。

使ったのは、鍵盤に触れずに動きを記録できる独自開発のセンサーシステム「HackKey」だ。

このシステムは、88鍵それぞれに向けた光センサー(フォトリフレクタ)で、鍵盤の上下の位置を1秒間に1000回、0.01ミリメートルの精度で測る。

カメラで撮影するのではなく、光の反射で鍵盤の位置を読み取る仕組みだ。位置の変化から、鍵盤が動く速さや加速度も計算できる。

鍵盤に触れずに測るのも大切な工夫だ。センサーが鍵に重りのように乗ってしまうと、ピアニストの繊細なタッチそのものを邪魔してしまう。

HackKeyは演奏のじゃまをせず、ふだんどおりの自然な弾き方をそっくり記録できる。

プロのピアニスト20人の弾き分け

実験に参加したのは、ピアノを専攻したプロのピアニスト20人(20〜49歳)。専門的な訓練を平均25.5年受け、最近は1日平均3.4時間練習している人たちだ。

防音室のグランドピアノ(カワイのSK2)で、同じ短いフレーズを、テンポと音量を変えずに、ペダルを使わずに弾いてもらった。

テンポや音量、ペダルも音色の感じ方に影響しうるからだ。

ねらう音色は3組。「軽い音」と「重い音」、「くっきりした音」と「ぼやけた音」、「明るい音」と「暗い音」だ。比べるための基準として、表情をつけない「機械的な」弾き方もしてもらった。

そのときの鍵盤の動きをHackKeyが余さず記録した。すると、同じ音を弾いていても、ねらった音色ごとに指や手の動かし方が微妙に違っていることが、データとしてはっきり浮かび上がってきた。

感覚の話だったものが、初めて数値の形になった瞬間だ。

論文は、鍵盤の動きのうち5つの特徴が、3種類の音色と結びついていたと報告している。その一つが、鍵盤を押してハンマーが弦に向かって離れていく瞬間(エスケープメント)の鍵盤の加速度だ。

音楽未経験者でも聞き分けられた

さらにチームは、録音された音を別の人たちに聞かせるテストも行った。聞き手はピアニスト20人と音楽未経験者20人の計40人。

すると聞き手は、演奏家がねらった音色をおおむね言い当てられたのだ。弾き手の自己満足ではなく、出てきた音に実際に差があった証拠になる。

ピアノを習ったことのない人でも違いを聞き分けられた点は大きい。プロのピアニストが聞き手になると、その差にとりわけ敏感だった。

研究チームはさらに、エスケープメントのときの加速度だけが違う2つの音を用意し、演奏実験に参加していないプロのピアニスト16人に聞かせた。

すると、この加速度の違いだけで、音の軽さやくっきり感の感じ方が変わった。論文は、特定の鍵盤の動きを変えると音色の感じ方が変わる、つまり相関だけでなく因果関係の証拠になるとしている。

「気のせい」じゃなかった、その先にあるもの

指の動きが音色をつくっていた

今回の実験が示したのは、こうだ。20人のプロピアニストという条件下で、指や手のごくわずかな動きの違いが、聞き手の感じる音の明るさ・重さ・くっきり感を左右していた。

長年、音楽家が「ある」と言い続けてきた音色の差は、少なくともこの実験では、思い込みではなかったことになる。

もちろん一つの研究がすべてを決めるわけではないが、感覚の話を数値の証拠にまで持ち込んだ意義は大きい。

言いかえれば、音色は耳だけの問題ではなく、体の使い方から生まれる「運動の産物」だったということだ。

同じ楽譜でも演奏家ごとに音の表情が違って聞こえる理由の一端が、ここで科学の言葉で説明できるようになった。

研究成果は、アメリカの科学誌『米国科学アカデミー紀要(PNAS)』に発表された。論文のタイトルは「ピアノ演奏における音色の運動的な起源」。

耳で感じる音色が、実は体の動きから生まれていることを突きとめた点に新しさがある。音楽という芸術の核心が、運動の科学でとらえられたのだ。

ピアノ教育が変わるかもしれない

この発見は、ピアノの学び方にも関わってくる。これまで「もっとあたたかい音で」といった指導は、感覚的な言葉に頼るしかなかった。

先生のお手本を、見よう見まねでなぞるしかなかったのだ。

けれど、どんな指の動きがどんな音色につながるかがデータで分かれば、上達のコツを目に見える形で伝えられるようになる。

名人の「秘伝の手の動き」を、初心者が手本としてなぞれる日が来るかもしれない。

研究を率いた古屋さん

研究を率いた古屋博士は、もともと脳と体の動きの関係を調べる科学者で、演奏家の手の使い方や故障の予防にも取り組んできた。