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【活動報導】台灣聲學108年會員大會暨第三十二屆學術研討會

台灣聲學學會20191115日假國立臺灣科技大學舉辦「台灣聲學學會108年會員大會暨第32屆學術研討會」,學會成立宗旨乃結合研究聲學、聽覺語言溝通、機械音響、水中音響、建築音響、超音波及噪音與振動領域等專家學者提供技術、經驗交流研討的場所,並且協助政府及民間部門針對上述專業領域之研究與服務,進一步為提高台灣聲學學術及相關技術水準,以及促進國際聲學學術及相關科技之交流。
【台灣聲學學會】吳聰能理事長致詞表示,台灣聲學學會已成立32年,學會集全國產官、學界菁英於一堂,共商會晤、相互砥礪,為提升我國聲學專業領域不遺餘力,同時感謝各機關團體及會員對本活動的贊助與支持,並邀請各貴賓共襄盛舉慶祝台灣聲學學會32週年。最後也邀請【美國聲學學會】、【香港聲學學會】等貴賓致詞。
本次研討會隆重邀請國外享譽聲學領域之專家發表專題演講,日本小林理學研究所所長山本貢平博士主講「Recent discussion on Shinkansen Express Railway noise」與王栢村教授主講「打擊樂器聲振耦合分析與實驗驗證」。隨後進行台灣聲學學會會員大會,在其最後頒發優秀論文獎及感謝狀。
本活動主辦單位亦邀請數間企業共襄盛舉,包括【利音貿易開發股份有限公司】、【台灣必凱環測股份有限公司】、【御風科技有限公司】、【振動噪音產學技術聯盟】皆設有攤位展示振動聲音量測之相關設備。聯盟專員於現場實際操作聯盟可技轉技術【客製化振動噪音量測系統(SVM)】,邀請會場有興趣的各界先進加入【振動噪音產學技術聯盟】,不論是量身打造教育訓練課程,或是專業顧問諮詢,聯盟皆可提供客製化服務。同日下午會場有25篇論文發表,共同研討、交流聲學議題,本次研討會圓滿順利。
※有關振動噪音相關領域之研發能量,其資訊可由聯盟網站瀏覽與下載(http://aitanvh.blogspot.tw/?m=0)


台灣聲學學會108年會員大會暨32屆學術研討會

日本小林理學研究所山本貢平博士主講Recent discussion on Shinkansen Express Railway noise

國立屏東科技大學 王栢村教授主講「打擊樂器聲振耦合分析與實驗驗證」

臺灣聲學學會吳聰能理事長頒發感謝狀予「振動噪音產學技術聯盟」主席王栢村教授

台灣聲學學會108年會員大會暨32屆學術研討會廠商展示區

聯盟專員向與會人員展示SM軟體

國立屏東科技大學溫儒琳同學論文發表「響鈴板之音場分析及其振動與聲音模態特性探討」

「振動噪音產學技術聯盟」獲感謝狀

《振動噪音科普專欄》為甚麼可以辨別出鋼琴、提琴、鐵琴的聲音?


先前單元:【什麼是聲音的衰減現象?】,探討了「鋼琴單音彈奏」、「提琴單音拉奏」、「鐵琴敲擊單音」的聲音衰減現象,讀者是否想過,為甚麼人們聽到聲音,可以辨別出不同樂器的聲音呢?

由影片,可以聽到3個不同樂器演奏的聲音,分別是鋼琴、提琴、及鐵琴的聲音,相信每個人都可以輕易辨別出這3個聲音。那麼人耳是如何區別出來的呢?

首先,觀察時間域的波形信號,似乎,只能感覺出大小聲,以及衰減的現象,從時間域波形,是無法辨別來自甚麼樂器的聲音!

先前單元:【聲音有甚麼特徵?】,討論到聲音有三大特徵(1)音調(pitch)(2)響度(loudness)(3)音色(timbre)。分別是指聲音的頻率(frequency)、聲音的振幅(amplitude)、聲音的頻率組成(content of frequencies)

若是只有聲音的時間域波形信號,大概只能區別出「響度」,也就是大小聲,至於「音調」和「音色」就無法辨別了。

本單元,要探討如何辨別如鋼琴、提琴、及鐵琴等不同樂器的聲音,主要就是「音色」的差異,也就是聲音的頻率組成,就需要借助於「頻譜分析」。讀者可參考:甚麼是頻譜分析?】、【頻譜分析與時頻分析有甚麼差別呢?】。

以下以「時頻分析(spectrogram analysis),分別對鋼琴、提琴、及鐵琴的3個聲音的時間域信號,進行信號處理與解析。

首先,探討「鋼琴單音彈奏」的「時頻分析」,可以得到如圖示,說明如下:

1.          時間域波形圖:在圖示上方,代表的是原始的量測聲音信號。可以看出與「聽感」的大小聲,有相對應的關係。
2.          時頻圖甚麼是時頻圖?】:中間的彩色圖示,就是「時頻圖」,水平軸是時間,垂直軸是頻率,彩色的圖示是聲音的「振幅」大小,以「聲音壓力位準dB值表示。【聲音壓力的大小如何表示?
3.          頻譜圖:在「時頻圖」的左側,就是此聲音的「頻譜圖」,由「聲音頻譜」,找到「第一個峰值頻率」或是有「最大振幅」對應的頻率,就是「基音頻率(fundamental frequency),也就是「音調」的特徵。可以看出「第一個峰值頻率」,f=1050 (Hz),也是有最大的振幅,這是C6音階。同時,可以看到接近倍數頻率的「峰值頻率」,這就是鋼琴聲音的「頻率組成」,也就是「泛音頻率(overtone frequencies),由「基音頻率」和「泛音頻率」的組成,就是「音色」,能夠辨別出鋼琴的聲音,最主要就是「音色」。
4.          時間域響度圖:在「時頻圖」的正下方,相當於,人耳在時間軸上,聽到的響度趨勢,可以看出有明顯的衰減現象。

其次,探討「提琴單音拉奏」的「時頻分析」,可以得到對應的分析圖示,著重在左側的「聲音頻譜」,和鋼琴聲音比較,可以觀察出不同的「聲音頻譜」特徵,說明如下:

1.          基音頻率:「第一個峰值頻率」,也是有「最高振幅的峰值頻率」,約在500 Hz,實際上,在此是C5=523.25 Hz,也就是這個聲音的「音調」。
2.          泛音頻率:由「聲音頻譜」圖可觀察,其他的「峰值頻率」,大約都是「基音頻率」的倍數頻率,這和提琴的振動模態相關,再另闢單員討論。不同的「泛音頻率」,其對應的聲音「振幅」是有大小之差異。
3.          音色:就是「基音頻率」和「泛音頻率」的頻率組成,使得在相同的「音調」下,而人耳能夠辨別出不同樂器的原因,就是「音色」的組成。

最後,探討「鐵琴敲擊單音」的「時頻分析」,也可以得到對應的分析圖示,簡要討論如下:

1.      時頻圖分析:可以觀察不同「峰值頻率」在時間域的「衰減」變化過程。可以看出,高頻率的聲音衰減現象比較快。
2.      聲音頻譜分析:可以觀察「第一個峰值頻率」是「基音頻率」,其他的「峰值頻率」就是「泛音頻率」,共同組成了鐵琴的「音色」。

本單元主要在說明為甚麼人耳能夠辨別出鋼琴、提琴、及鐵琴的聲音,由以上的討論,可以知道,主要的原因如下:

1.      音色:「聲音頻譜」圖中,所有的「峰值頻率」,包括「基音頻率」及「泛音頻率」的組成。
2.      「峰值頻率」對應的「振幅」(1)不同的樂器,就算是演奏相同的「基音頻率」,其所有的「峰值頻率」會有不同的「頻率」特徵。(2)每一個「峰值頻率」對應的「振幅」大小也不同。(3)不同「峰值頻率」的「衰減率」也不同。由先前單元:什麼是聲音的衰減現象?】,可知衰減率」和「阻尼比」有關。

人耳能夠辨別出不同樂器的聲音,係因為「聲音頻譜」中的「頻率」、「振幅」、及「阻尼比」,也就是主要影響「音色」的3個主要因子。

本單元藉由「時頻分析」得到的「時頻圖」及「聲音頻譜」,可以觀察一個樂器聲音的特徵,包括:(1)音調」就是「基音頻率」。(2)音色」是「基音頻率」和「泛音頻率」的組成。(3)各個「峰值頻率」的「衰減率」特徵,也就「阻尼比」。

人的耳朵,確實是個了不起的「感測器(sensor),也是具有了不起的「頻譜分析」能力,所以能夠聽到樂器聲音,又能夠辨別出是哪一種樂器的聲音。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2019.10.26

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《振動噪音科普專欄》相同頻率,不同衰減率的純音,有甚麼差異?


先前單元探討了「聲音的衰減現象」,什麼是聲音的衰減現象?】。這個單元就來探討,相同頻率的純音(pure tone),在不同衰減率(decay rate)時,聲音的特徵有甚麼差異?

首先,再回顧一下甚麼是純音」,就是單一頻率的聲音。「衰減率」簡單的說,是聲音訊號在時間域的衰減速率,「衰減率」越大,聲音就消散的越快。

參考先前單元:什麼是聲音的衰減現象?】,一個具有衰減特徵的純音,以數學方程式」以及對應的「時間域波形信號」,參考圖示,重點摘錄說明如下:

1.      無阻尼的純音:方程式為 𝑝(𝑡)=𝑃sin(𝜔𝑡),其中,P是聲音的「振幅」,𝜔=2𝜋𝑓,是聲音的「頻率」,𝜔也稱為「圓週頻率」,單位是(rad/sec)。而f就是「頻率」,單位是(Hz)。可以觀察時間域𝑝(𝑡)的現象,是來回振盪的正弦波信號。
2.      阻尼衰減效應觀察阻尼效應在時間域𝑝(𝑡)的衰減現象,主要是來自「衰減率」,數學方程式為:𝑒^(−𝜉𝜔𝑡)=𝑒^(−𝜎𝑡)是「指數函數(exponential function),其中,σ是「衰減率」,𝜎=𝜉𝜔=𝜉(2𝜋𝑓),「衰減率」是「阻尼比」和「圓週頻率」的乘積。又,由於「指數函數」是「負值」,所以呈現出「衰減」的現象。在此由關係式𝜎=𝜉𝜔=𝜉(2𝜋𝑓),可推論:相同的「阻尼比」時,當聲音的「頻率」越大,則此聲音的「衰減率」就越大。另外,相同「頻率」的聲音,如果「阻尼比」越大,則聲音的「衰減率」就越大。
3.      純音具阻尼衰減效應:是以上兩個信號的合成,𝑝(𝑡)=𝑃𝑒^(−𝜉𝜔𝑡) sin(𝜔𝑡),由圖示,可以看出純音的衰減信號特徵。

這個單元,舉一個音階標準頻率C4=261.63 (Hz)的純音,由不同的阻尼比」來觀察其「聲音衰減」的現象:

1.      阻尼比 𝜉=0%,衰減率 𝜎=0.0:相當於「無阻尼」,由圖示的時間域波形信號,可以看出完全沒有衰減。在「聲音頻譜」圖,可以得知,在261.63 (Hz)的聲音振幅」是78.0 (dB)
2.      阻尼比 𝜉=0.01%,衰減率 𝜎=0.1643:阻尼比0.01%,也就是𝜉=0.0001,時間域的波動曲線,僅有些微的衰減現象。在「聲音頻譜」圖,可以得知,在261.63 (Hz)的聲音振幅」是77.3 (dB)
3.      阻尼比 𝜉=0.05%,衰減率 𝜎=0.8219:阻尼比0.05%,也就是𝜉=0.0005,時間域的波動曲線,有逐漸加大其衰減的現象。在「聲音頻譜」圖,可以得知,在261.63 (Hz)的聲音振幅」是74.7 (dB)
4.      阻尼比 𝜉=0.1%,衰減率 𝜎=1.6439:阻尼比0.1%,也就是𝜉=0.001,時間域的波動曲線,可以看出明顯的衰減現象。在「聲音頻譜」圖,可以得知,在261.63 (Hz)的聲音振幅」是72.1 (dB)
5.      阻尼比 𝜉=0.2%,衰減率 𝜎=3.2877:阻尼比0.2%,也就是𝜉=0.002,時間域的波動曲線,有更快的衰減現象。在「聲音頻譜」圖,可以得知,在261.63 (Hz)的聲音振幅」是68.1 (dB)
6.      阻尼比 𝜉=0.5%,衰減率 𝜎=8.2193:阻尼比0.5%,也就是𝜉=0.005,時間域的波動曲線,有最快的衰減現象。在「聲音頻譜」圖,可以得知,在261.63 (Hz)的聲音振幅」是61.3 (dB)

由以上的討論,針對C4=261.63 (Hz)的純音,不同阻尼比」的「聲音衰減」現象,可以歸納如下有關不同「阻尼比」或「衰減率」對聲音特徵的影響與差異:

1.          時間域波動信號特徵:隨著阻尼比」越大,波動信號的「衰減」現象越快。
2.          「衰減率」的特徵:「阻尼比」越大,「衰減率」也越大。因為,「衰減率」是「阻尼比」和「圓週頻率」的乘積:𝜎=𝜉𝜔=𝜉(2𝜋𝑓)
3.          「聲音頻譜」的特徵:因為是純音,所以「聲音頻譜」在f=261.63 (Hz),呈現一個「峰值」,在圖示,以 dB表示,就是「聲音壓力位準」,代表聲音的「響度」,也就是此純音的「振幅」大小。
4.          聲音頻譜的「峰值頻率」對應之「振幅」特徵:當「阻尼比」越大時,此純音的「振幅dB值就越小。當dB越大,聲音就越大聲。反之,dB越小,聲音響度越小
5.          聲音的「聽感」:只有請讀者由影片,聽一下不同「阻尼比」的聲音差異。不過,可以知道「聽感」和「時間域波形」以及頻率域的「聲音頻譜」特徵,是有對應關係。

本單元以相同頻率的「純音」,探討不同「衰減率」的聲音「衰減現象」,也知道「衰減率」和「阻尼比」及聲音的「頻率」成正比關係。針對不同「阻尼比」的相同純音之「衰減現象」,可以分別由「聽感」和「時間域波形」以及頻率域的「聲音頻譜」特徵,觀察其對應的關係。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2019.10.26

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