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《振動噪音科普專欄》塑膠材質木魚的打擊聲音有甚麼特徵?


這個單元的主題,來探討:塑膠材質木魚的打擊聲音有甚麼特徵?

首先,打擊樂器的木魚」在樂團中的角色,主要是配合樂曲打出節奏。又,為什麼有大小不同的「木魚」呢?我們都知道,一般而言,大的物體頻率比較低,而小的物體頻率比較高。所以,不同大小的「木魚」是在創造不同「音高(pitch frequency)的節奏音。

既然,「木魚」是配合樂曲打出節奏,那麼「木魚」需要怎樣的「音色(tonality)呢?那「木魚」的打擊聲音又有甚麼特徵呢?

我們實際量測一組5個大小不同的塑膠材質「木魚」之打擊聲音,也做了對應的分析,右方圖示是編號5木魚」的分析圖示。

首先回顧一下,此分析是採用屏科大機械系振動噪音實驗室開發的【SM軟體】,進行「頻譜分析」以及「時頻分析」,所得到的4個重要圖示,「木魚」打擊聲音的重點特徵,也一併說明如下:

1.          聲音壓力時間域波形圖 (time waveform):在圖示上方,呈現所分析聲音的原始「時間域波形」信號。代表的物理意義是「聲音壓力(sound pressure)。此波形圖呈現了典型的「衝擊音(impact sound)現象,「5號木魚」在敲擊瞬間,產生大的聲音振幅,隨後有快速「衰減」的現象。
2.          時間域聲音壓力位準(響度) (sound pressure level):可以簡稱「聲音響度圖」,在圖示下方,呈現此聲音隨時間變化的「聲音振幅大小(dB),此「聲音振幅」的物理意義是「聲音壓力位準(sound pressure level)。可以看出「5號木魚」的「聲音響度圖」和「時間域波形」信號有對應的關係,也是有明顯的「衰減」現象。
3.          時頻圖 (spectrogram):在圖示正中央,水平軸是對應「時間域波形」的時間(sec),垂直軸是頻率(Hz),彩色的分布圖示為聲音振幅大小(dB)。可以觀察隨時間變動時,「聲音頻譜」的分布狀態與趨勢。為便於說明,僅呈現0~5000Hz的頻率範圍。可以觀察「5號木魚」在1160Hz,有最深紅的顏色,表示有最高的音量,紅色也有拖拉延伸的現象,表示有漸次的「衰減」現象。其次,在3000Hz也有較紅的現象,不過呈現快速的「衰減」。所以,有兩個頻率主導了「5號木魚」的打擊聲音。
4.          頻譜圖 (spectrum):因為解析的信號是「聲音」,所以稱為「聲音頻譜圖」,在圖示左方,呈現此聲音信號的「頻譜」,也就是頻率與其振幅的組成。圖示的垂直軸為頻率,單位:Hz,水平軸是聲音的振幅大小,單位:dB。同樣可以觀察到「5號木魚」的「聲音頻譜」分佈特徵,主要有兩個頻率峰值,1160Hz3000Hz。【常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?

接下來,再細部的探討5號木魚」打擊聲音的特徵,分別從以下三個角度觀察及探討:

1.          衰減率:參閱左下角的「阻尼衰減效應」圖示,是一個「指數函數 (exponential function),其中, ,稱為「衰減率」。 越大,時間域波形就「衰減」的越快。反之, 越小,「衰減」的越慢。對照「5號木魚」的「時間域波形」信號,可以區別出兩段的「衰減」現象,第一段是敲擊瞬間的「衰減率 ,第二段是敲擊力移除後的「衰減率 ,可以明顯看出, >
2.          衰減時間:同樣參閱左下角的「阻尼衰減效應」圖示,從信號開始,「衰減」至接近零的時間,稱為「衰減時間」,取代號:t。對照「5號木魚」的「聲音響度圖」,可以很明確的辨識出「衰減時間」,比起「時間域波形」信號,可更準確的取得「衰減時間」。
3.          基礎頻率:參閱左下角的「純音:阻尼衰減效應」圖示,可以知道一個「純音」有其「頻率」, ,其中, 單位是(rad/sec) 單位是(Hz)。對照「5號木魚」的「聲音頻譜圖」,如前述,可辨識兩個頻率峰值,1160Hz3000Hz。其中,1160Hz為第一個峰值頻率,稱為「基礎頻率(fundamental frequency) 。其他的峰值頻率,稱為「泛音頻率(overtone frequency),在此3000Hz就是其中一個「泛音頻率」。

針對這5大小不同的塑膠材質「木魚」之打擊聲音,讀者可以觀看影片聆聽其聲音。接著,請參閱圖示右下方的表格,對這5個「木魚」打擊聲音的比較,彙整前述的「評估指標」探討如下:

1.      衰減率:第一段是敲擊瞬間的「衰減率 ,最大是「5號木魚」,最小是「1號木魚」, 38.06~97.08之間。第二段是敲擊力移除後的「衰減率 5個「木魚」的相近, 5.32~9.88之間。可以明顯看出, >
2.      衰減時間5個「木魚」的「衰減時間」都在1秒以內,在0.58~0.91秒之間。
3.      基礎頻率  為「木魚」打擊聲音的「聲音頻譜圖」之第一個峰值頻率,「1號木魚」體積最大,所以 =650Hz最低,「5號木魚」體積最小, =1160Hz最高。

接下來,可以思考:如何設計木魚」呢?當然就是依照「木魚」的聲音特徵,以及實際上想要的「音色」需求來看:

1.      木魚」的材質:主要影響了打擊聲音的「衰減率」及「衰減時間」。由於「木魚」需要短促的發聲特性,所以材料的「阻尼」要夠大,才能有大的「衰減率」,以及短的「衰減時間」。至於理想的「衰減率」或「衰減時間」,應該要徵詢音樂專業人士的意見。
2.      木魚」的幾何形狀尺寸:由於「木魚」是打擊樂器的一種,聲音的發聲機制,與結構體的「自然頻率(natural frequency),又與其形狀尺寸有關,又如前述,除了第一個峰值頻率為「基礎頻率 ,是主要的因素外,其他高頻率的「自然頻率」設計,也會有「泛音頻率(overtone frequency)的貢獻度。至於,「基礎頻率」的設計值,同樣需要徵詢音樂專業人士的意見,在設計製作上,就可由工程人員來執行。

本單元,探討了5大小不同的塑膠材質「木魚」之打擊聲音特徵,以3個「評估指標」,包括:「衰減率」、「衰減時間」、及「基礎頻率」,探討其間的差異。也簡要的說明「木魚」打擊樂器的設計理念。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2020.03.27

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《振動噪音科普專欄》銅鑼使用不同敲擊頭,聲音有甚麼差異?


這個單元的主題,在探討:銅鑼使用不同的敲擊頭,敲出來的聲音有甚麼差異?銅鑼如1是一個大型的銅鑼,使用了5種不同的敲擊槌,包括以手握拳頭敲擊銅鑼。

在敲擊銅鑼時,同步以麥克風量測銅鑼的聲音,可以取得聲音的時間域波形(time waveform),進行「頻譜分析」也可以得到「聲音頻譜(Sound spectrum)。【甚麼是頻譜分析?

首先請讀者觀看影片,聽一下這5種「敲擊槌」敲出來的聲音,分別是:鋼頭較硬頭硬頭軟頭、以及手握拳頭。參閱1及影片,要探討觀察這5種「敲擊槌」敲出來的聲音差異,可以從以下三個面向,現象說明如下:

1.      聽感:「聽感」本來就是很主觀的,本人聽起來,硬的「敲擊頭」敲擊聲音,雜碎高頻音,不是好聽的「聽感」。以「手握拳頭」的聲音,聽起來較有震撼、盪漾的感受。
2.      時間域波形:銅鑼敲擊聲音都有「衰減」的現象,大致可以觀察出,越硬的「敲擊頭」,「時間域波形」衰減的越快。最軟的「手握拳頭」聲音迴盪的時間最久。主要是低頻率的結構振動模態,衰減的比較慢。什麼是聲音的衰減現象?
3.      聲音頻譜:銅鑼的「聲音頻譜」大致可以觀察出,越硬的「敲擊頭」,在高頻率的「聲音頻譜」有較大的「聲音振幅」。常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?

接下來,要探討的是:為什麼使用5不同敲擊頭,銅鑼的聲音會不一樣呢?在此實驗,都是使用相同的銅鑼,不一樣的是不同敲擊頭」,那麼不同的「敲擊頭」,有怎樣的影響呢?

1.      敲擊頭」的大小(重量)
2.      敲擊頭」的材料?
3.      敲擊施力的輕重?

在此,引用SPR系統方塊圖」理念的流程做說明:甚麼是ISOSPR

1.      Source:就是激振源(excitation source),在此,當然就是「敲擊槌」作用在銅鑼的「敲擊力(impact force)
2.      Path:就是結構路徑(structural path),也就是「銅鑼」,因為是相同的銅鑼,可以說「Path」結構系統是相同的、不變的。
3.      Response:就是系統的響應,也就是銅鑼受敲擊力」後,引發銅鑼的振動,進而發出聲音的響應。

由於,「激振源」的S敲擊力」不同,雖然「銅鑼」的P結構路徑」相同,所以「銅鑼」的R聲音響應」當然也不同了。銅鑼振動與聲音特性探討及虛擬測試

那麼不同的「敲擊頭」,所引發的「敲擊力」有甚麼差異呢?觀看影片或參閱2,分別標示了「敲擊力」在「時間域波形」的示意圖,以及對應影響的「聲音頻譜」頻率範圍,討論如下:

1.      敲擊力」的「時間域波形2,在時間域標示了對應不同「敲擊頭」的「敲擊力」時間域波形示意圖,以紅色表示,須注意,只是相對的比較示意圖。「敲擊力」均呈現接近「半正弦波」的波形,越硬的「敲擊頭」,「半正弦波」的週期越短,因為,硬的物體碰撞時,「敲擊頭」與「銅鑼」接觸的時間短。而,越軟的「敲擊頭」如「手握拳頭」,「半正弦波」的週期越長。
2.      敲擊力」的「外力頻譜:對應於「敲擊力」的「半正弦波」的時間域波形,其「敲擊力」的「外力頻譜」影響的範圍,以黑色標示。在此需注意,一樣只是示意圖的概念說明,黑色線段標示的範圍,相當於「敲擊頭」的「敲擊力」所影響的頻率範圍。可以觀察:「半正弦波」的週期越短,「外力頻譜」影響的頻率範圍就越高。反之亦然。可以觀察最軟的「敲擊頭」如「手握拳頭」,其「外力頻譜」主要集中在低頻率範圍,約1000Hz。隨著「敲擊頭」越硬,影響的頻率範圍逐漸升高,分別大約是2000Hz5000Hz7000Hz9000Hz

由以上討論,可以知道敲擊頭」越軟,敲在銅鑼上的「敲擊力」的「半正弦波」週期越長,因為,比較軟的「敲擊頭」與「銅鑼」接觸的時間較長。此時,「敲擊力」的「外力頻譜」影響的頻率範圍就越小,也就是激發銅鑼振動模態的頻率範圍比較低。因此,聽感就是比較低音,而有震撼與盪漾的感受。又因為,低頻率的「振動模態」之「衰減效應」,比高頻率的「振動模態」要小。

綜合一下本單元的討論,以5種不同「敲擊槌」,敲擊銅鑼發出來聲音的差異比較,分別由:「聽感」、「時間域波形」、「聲音頻譜」,可以觀察其不同的特徵。探討方向:

1.      探討不同的「敲擊頭」材料:可以了解軟、硬「敲擊頭」材料,對敲擊聲音的差異影響。
2.      SPR系統方塊圖」的理念,探討解析其原理:主要是「激振源」的S敲擊力」不同的影響。
3.      觀察「敲擊力」的「半正弦波」週期:與「敲擊頭」和「銅鑼」敲擊的接觸時間有關。「敲擊頭」越軟,「敲擊力」的「半正弦波」週期越長。反之,「敲擊頭」越硬,「敲擊力」的「半正弦波」週期越短。
4.      觀察「敲擊力」的「外力頻譜」影響的頻率範圍:「敲擊力」的「半正弦波」週期越長,影響的頻率範圍越小。反之,「敲擊力」的「半正弦波」週期越短,影響的頻率範圍越大。

另外,敲擊頭」的大小/重量、或是「敲擊力」的施力力道,雖然也會有影響敲擊聲音的響應,不過,「敲擊頭」的大小及施力力道,主要影響的是「敲擊力」時間域的「半正弦波」之「振幅」,所以大致上是整體大小聲的變異,對於「聲音頻譜」的特徵而言,主要還是來自「敲擊頭」材料的軟硬度影響。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2020.03.25

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1、銅鑼使用不同敲擊頭,聲音有甚麼差異?(原始聲音信號)

2、銅鑼使用不同敲擊頭,聲音有甚麼差異?(標示外力信號)