《振動噪音科普專欄》甚麼是響鈴板?可以製作為打擊樂器嗎?

這個單元來看的主題:甚麼是「響鈴板」?而這個「響鈴板」可以製作為打擊樂器嗎?這個單元是「響鈴板」系列的1

 

首先,由破題來看,甚麼是「響鈴板(bell plate)?可以參考圖示中央的照片,來自2003年的論文:Lavan, D., Hogg, S. and Wolfe, J., “Why do bell plate ring?,” Acoustics Australia, 31, No. 2–1, (2003)

 

圖示的「響鈴板」看起來是有握柄,當搖晃握柄,會帶動打擊槌敲擊在「響鈴板」上,進而發出「響鈴板」的敲擊聲音,該篇論文有呈現說明「響鈴板」為什麼會發出聲音的物理機制。

 

知道了甚麼是「響鈴板(bell plate)?在此的構想是,如何應用此像是本壘板、五角形的「響鈴板」來製作出打擊樂器?事實上,屏科大機械系振動噪音實驗室已經完成了整組的「響鈴板」打擊樂器:Wang, B. T., Chen, P. C., Tsai, Y. G., and Wu Y. H., 2019, ”Development of Pentagonal Plates with Harmonic Sound as Percussion Instrument,” 26th International Congress on Sound & Vibration, Montreal, Canada, Paper No.: 458

 

本單元以及後續的「響鈴板」系列,將介紹整個「響鈴板」打擊樂器的發展歷程,並介紹所需要的振動聲音分析與實驗技術,以及對應的應用步驟。

 

那麼要如何製作整組的「響鈴板」打擊樂器呢?接續有兩個問題,需要討論:

 

1.      如何設計分析(design analysis):會採用「有限元素分析(Finite Element Analysis, FEA),建構參閱圖示右二的「響鈴板」之「有限元素分析模型」,以進行「模態分析(modal analysis),可以得到「響鈴板」的「自然頻率」和「模態振型」,據以完成設計評估。

2.      如何實驗驗證(experimental verification):就算完成了前項的設計分析與評估,確認可行,仍然需要實驗驗證。參閱圖示右一是完成的「C6響鈴板」實體結構照片,在此步驟,當然就是要以實驗方式,求得「響鈴板」實體結構的「自然頻率」和「模態振型」,並與設計分析的結果,作比較評估。最終,當然就是「響鈴板」打擊聲音評估的「設計認證(Design Validation)。若是觀看影片,可以聽到對應「C6響鈴板」的敲擊聲音,同時,參閱圖示右下方是敲擊「C6響鈴板」的聲音頻譜,其中,可以看到第一個峰值是1049 Hz,和圖示顯示的C6音階的標準頻率 C6 = 1046.5 Hz,只有0.24%的頻率差異,所以,達到了精準的「基音頻率(fundamental frequency)之設計目標。

 

當完成了一個「C6響鈴板」的設計分析,以及對應的實驗驗證,其次,就是要訂定「響鈴板」打擊樂器之設計目標,說明如下:

 

1.      要類似鐵琴、木琴打擊樂器:參閱圖示左側中央圖片,是一部典型的鐵琴(vibraphone),可以看到有上下排列的全音和半音的鐵琴片,大約涵蓋了三個八度音的音階範圍。

2.      設計發展具有兩個八度音階的「響鈴板」打擊樂器組:音階範圍是F5 …F6…F7,最低是F5、最高是F7,還要包括:全音及半音。全音就是DoReMiFa等,而半音就是升音#、或降音b。為什麼會選擇音階範圍F5 …F6…F7?因為,有這樣的兩個八度音階,大概就可以演奏大部分的歌曲。

 

接下來,參閱圖示左下方,展示的是屏科大機械系振動噪音實驗室已經完成的整組「響鈴板」打擊樂器,如果觀看影片,可以聽到所有全音F5 …F6…F7的剪輯合併之敲擊聲音,也可以看到設計的雛型,以及包含了上下排列的全音及半音的「響鈴板」,不同於原始的握柄方式,而是以3點懸吊方式,架設了每一個「響鈴板」。

 

在這個「響鈴板」系列的科普專欄,將會討論幾個有興趣的議題:

 

如何進行整組「響鈴板」打擊樂器的設計分析?

以及如何進行實際「響鈴板」的實驗驗證?

也需要瞭解甚麼是「響鈴板」結構的「振動模態(modes of vibration)

以及為什麼要進行「響鈴板」結構振動的「模態分析」?

如何進行「響鈴板」結構振動的數值理論分析,以及對應的實驗方法?

如何確認「響鈴板」打擊樂器設計的可行性?

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2021.12.01

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