這個單元是姆指琴系列專欄的第8篇，要來探討：「姆指琴」「音箱」的「音孔」，對「撥奏聲音」，有甚麼影響嗎？
在此，參閱圖示，左上方「姆指琴」的圖片，再回顧一下「姆指琴」的「構造」，包含：「琴片」、「琴片座」及「音箱」。這個「姆指琴」有7根「琴片」，以類似懸臂樑的方式固定在「琴片座」，而「琴片座」鎖固在「音箱」上，這個椰子殼製作的「音箱」，在圓形面板上，有開了一個圓孔，稱為「音孔」。這個「姆指琴」有7根「琴片」，長短各有不同，可以發出不同「音階」的聲音。
這個單元，主要來探討「音箱」的「音孔」對「撥奏聲音」的影響。參閱圖示，變更「音孔」的直徑，由原始的25 mm，在盡可能不變動「音箱」結構的原則下，以黏土包覆變更為10 mm。再分別量測相同「琴片」的撥奏聲音。
要探討撥奏聲音的差異之前，先參閱圖示上方，是對不同直徑「音孔」的「音箱」，進行音場分析，可以解析得到「音箱結構與空氣耦合系統」的「模態」。
參閱圖示左下方的表格，是原始25 mm「音孔」，以及變更後10 mm「音孔」的「自然頻率」比較表，最主要的差異是「音箱」的第1個「內部腔體模態」(cavity mode)，其「自然頻率」由 328.39 Hz，下降至178.69 Hz。
參閱圖示右上方，可以觀察所對應的結構「位移模態振型」以及空氣的「聲音壓力模態振型」，其動畫可參閱影片的說明。這個「音箱」的第1個「內部腔體模態」(cavity mode)，也就是「亥姆霍茲共振器」(Helmholtz resonator)效應，會直接影響到姆指琴的「發聲頻率」。
從原始25 mm「音孔」以及變更後10 mm「音孔」的「自然頻率」比較，除了「音箱」的「內部腔體模態」有差異，其他的「模態」的「自然頻率」也略有差異，這是因為「音箱」結構的「音孔」受到了改變。
接著，就來觀察針對「琴片#01」在原始25 mm「音孔」，以及變更後10 mm「音孔」的撥奏聲音頻譜的比較，分別參閱圖示右邊的上下兩個圖示。
首先，觀察上圖，是「琴片#01」在原始25 mm「音孔」的「聲音頻譜」，在「第一個峰值」是343 Hz，也就是「基音頻率」，其「聲音壓力位準」是74.1 dB：此「基音頻率」343 Hz，係來自「琴片」的第一個「振動模態」效應。
同時，因為「音箱」的第1個「內部腔體模態」(cavity mode)，模擬分析的「自然頻率」是328.39 Hz，與「發聲頻率」343 Hz很相近，也就引發了「亥姆霍茲共振器」(Helmholtz resonator)效應，使得「聲音壓力位準」相對的高。也使得「琴片#01」的「衰減率」較小，也就是「持續度」更長。
再觀察上圖，其他較高振幅值的「發聲頻率」，如1707 Hz，是來自「音箱」第2個「內部腔體模態」效應，而2137 Hz，是來自「琴片」的第三個「振動模態」效應。
另外，觀察下圖，是「琴片#01」在變更後10 mm「音孔」的「聲音頻譜」，在「第二個峰值」也是343 Hz，有最高的「聲音壓力位準」是58.3 dB，也就是「基音頻率」。因為，「基音頻率」都是來自「琴片」的第一個「振動模態」效應。但是，其對應的「聲音壓力位準」是58.3 dB，比起原始25 mm「音孔」的「聲音壓力位準」是74.1 dB，要小了許多，這是因為，變更後10 mm「音孔」的「音箱」第1個「內部腔體模態」下降至178.69 Hz。此時，沒有了「亥姆霍茲共振器」(Helmholtz resonator)效應。
在理論的音場模擬分析，變更後10 mm「音孔」的「音箱」第1個「內部腔體模態」，其「自然頻率」是178.69 Hz，觀察下圖，可以發現在172 Hz，也有一個「發聲頻率」，其「聲音壓力位準」是19.6 dB，確實也是存在的，可以合理的推論：「音箱」第1個「內部腔體模態」，也就是「亥姆霍茲共振器」(Helmholtz resonator)效應，使得在172 Hz也有一個「發聲頻率」，不過振幅值只有19.6 dB。
綜合一下本單元的探討，在瞭解「音箱」的「音孔」，對「撥奏聲音」的影響，總結如下：
1. 「音箱」的「音孔」直徑變更，由原始的25 mm，變更為10 mm。改變了「音箱」的結構特徵，也會改變撥奏的「發聲頻率」。
2. 對不同直徑「音孔」的「音箱」，進行音場分析，可以解析得到「音箱結構與空氣耦合系統」的「模態」。其中，「音箱」的第1個「內部腔體模態」(cavity mode)，其「自然頻率」由 328.39 Hz，下降至178.69 Hz。就是「亥姆霍茲共振器」(Helmholtz resonator)效應，會直接影響到姆指琴的「發聲頻率」。
3. 在原始25 mm「音孔」的「音箱」，其「音箱」的第1個「內部腔體模態」(cavity mode)是328.39 Hz，和「琴片#01」的第一個「振動模態」之「自然頻率」343 Hz，很相近，所以，形成明顯的「共振」(resonance)，就是「亥姆霍茲共振器」效應。此「共振」效應，會放大「琴片」振動引發的「發聲頻率」，也就是「琴片」的「基音頻率」。同時，也會增加聲音的「持續度」，使得有較小的「衰減率」。
4. 在變更後10 mm「音孔」的「音箱」，模擬分析預測的「音箱」第1個「內部腔體模態」(cavity mode)是178.69 Hz，和實際量測到的「聲音頻譜」，在172 Hz也有一個「發聲頻率」，不過振幅值只有19.6 dB。可以說明，此「亥姆霍茲共振器」效應，仍然會貢獻到撥奏的「發聲頻率」。同時，因為「琴片#01」的第一個「振動模態」之「自然頻率」，仍然是343 Hz，在此，沒有對應的「亥姆霍茲共振器」的「共振」效應，所以，在「發聲頻率」343 Hz的「聲音壓力位準」只有58.3 dB，比起原始25 mm「音孔」的「聲音壓力位準」是74.1 dB，要小了許多。
以上個人看法，請多指教！
王栢村
0 意見:
張貼留言