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《振動噪音科普專欄》姆指琴系列(1):姆指琴的構造與撥奏聲音有甚麼特性呢?

 

這個單元的主題要來探討,姆指琴構造撥奏聲音有甚麼特性呢?

 

針對姆指琴系列(1)的主題,首先提出以下的提問:

 

1.          甚麼是姆指琴(Kalimba)

2.          姆指琴如何演奏?

3.          姆指琴構造

4.          姆指琴如何發出聲音?

5.          姆指琴聲音頻譜特徵和音階

6.          琴片長短代表甚麼意義?

 

以下分別針對以上的提問,做說明與討論:

 

1.          甚麼是姆指琴(Kalimba)參閱圖示標註(1),以 KalimbaGoogle搜尋圖片 可以看到有不同型式的姆指琴(Kalimba)。大都是長方形的立體音箱,也有半球體型式的音箱。

2.          姆指琴如何演奏?參閱圖示標註(2),此姆指琴」是在日月潭的一家民俗藝品店所購買,音箱是以椰子殼製作的半球體型式,有7根琴片,演奏時,手持音箱,以兩手的姆指撥動琴片,會發出聲音,所以稱為「姆指琴」。

3.          姆指琴構造參閱圖示標註(3),一個姆指琴」的基本構造,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。

4.          姆指琴如何發出聲音?參閱圖示左下方的標註(4)姆指琴」的發聲機制,透過姆指施力作用在「琴片」上,透過「琴片」的振動傳遞到「琴片座」,進而傳遞到「音箱」,每一個結構體都會透過「空氣」發出聲音,傳遞聲音到人的「耳朵」,所以可以聽到「姆指琴」發出的聲音。當然,有興趣的是,「琴片」的貢獻度有多少?「琴片座」有怎樣的影響?以及「音箱」又會有甚麼樣的影響?這些疑問將在這個「姆指琴」系列專欄,作相關的介紹與討論。接下來,參閱圖示右側的標註(4),從另一個角度觀察姆指琴」的發聲機制,以「SPR流程圖」來討論。其中,SSource激振源,PPath路徑,RResponse響應或Receiver收受者。參閱圖示,可知Source激振源,就是施加在「琴片」上的作用力𝒇𝒋 (𝒕)Path路徑,可以概分為:結構路徑(structural path),以及空氣路徑(air path)。結構路徑包含了「琴片」、「琴片座」及「音箱」,理念上,可以在結構上以「加速規(accelerometer)量測結構的振動𝒂𝒊 (𝒕)。結構的振動與空氣有互相耦合效應,可以發出聲音,理念上,可以在空間中,以「麥克風(microphone)量測發出的聲音𝒑𝒌 (𝒕)

5.          姆指琴聲音頻譜特徵和音階量測到撥動琴片的聲音,參閱圖示標註(5),這是撥奏琴片#04」所量測到聲音的時間波形𝒑𝒌 (𝒕),以及進行「FFT頻譜分析」所得到的對應「聲音頻譜𝑮𝒑𝒑 (𝒇)。其中,時間波形𝒑𝒌 (𝒕)有明顯的衰減現象,而「聲音頻譜𝑮𝒑𝒑 (𝒇),水平軸是頻率,垂直軸是「聲音振幅」大小,以dB表示,可以看到有多個「峰值(peaks),通常「第一個峰值」會有最高的「聲音振幅」,稱之為「基礎頻率(fundamental frequency),也就是這個「琴片」的「基音頻率」。「琴片#04」的「基音頻率」可觀察得知為 173 Hz,和「音階標準頻率」的最相近頻率是F3 = 174.6 Hz,也就是Fa的「音階」。不同的7根「琴片」以相同方式,可以找到各「琴片」對應的「音階」,圖示的表格呈現出「琴片編號對應音階」。

6.          琴片長短代表甚麼意義?參閱圖示標註(6),以琴片」長度排序,顯示各「琴片」的編號以及其對應的「基音頻率」,其中,最長的「琴片#04」是56 mm,對應的「基音頻率」是173 Hz,最短的「琴片#01」是33 mm,對應的「基音頻率」是342 Hz。所以,可以知道,「琴片」越長,其「基音頻率」越低;反之,「琴片」越短,其「基音頻率」越高。

 

最後,綜合一下這個單元的討論:

 

1.          甚麼是姆指琴(Kalimba)讀者可以自行透過Google搜尋,瞭解一下甚麼是姆指琴(Kalimba)

2.          姆指琴如何演奏?主要就是以雙手持琴,以拇指撥奏琴片,所以,就稱之為姆指琴」。

3.          姆指琴構造一個姆指琴」的基本「構造」,有「琴片」、「琴片座」及「音箱」。每一個「琴片」對應一個「音階」,「琴片座」主要在用以固定「琴片」,而「音箱」形狀各有不同,都會有一個圓形開孔,稱之為「音孔」。

4.          姆指琴如何發出聲音?可以由實體結構的角度,觀察姆指琴」的發聲機制,也可以由SPR流程圖」,以SourcePathResponse角度,來解構「姆指琴」的發聲機制。

5.          姆指琴聲音頻譜特徵和音階本單元以琴片#04」為例,量測其聲音的時間波形𝒑𝒌 (𝒕),以及進行「FFT頻譜分析」得到對應的「聲音頻譜𝑮𝒑𝒑 (𝒇)。可以了解主要的發聲頻率,其中,通常「第一個峰值」會有最高的「聲音振幅」,稱之為「基礎頻率(fundamental frequency),也就是「基音頻率」,可以得知「琴片#04」對應的「音階」。

6.          琴片長短代表甚麼意義?琴片」越長,其「基音頻率」越低;反之,「琴片」越短,其「基音頻率」越高。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2021.02.01

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