《振動噪音科普專欄》如何解析打擊樂器–顫音鐵琴的聲音特徵？裝飾音(Grace note)演奏

這個單元要來探討的主題是：如何解析打擊樂器–「顫音鐵琴」的聲音特徵？這是這個「顫音鐵琴」系列的第5篇，要來看的是「裝飾音(Grace note)」演奏聲音的特徵分析。

 

甚麼是「裝飾音(Grace note)」呢？參閱圖示左上方是一部「顫音鐵琴」打擊樂器，例如對Si「B4」、Do 4「C5」兩個音，快速的、間歇的、連續的敲擊，就形成了「裝飾音(Grace note)」，觀看影片可以聽到Si「B4」、Do「C5」的「裝飾音(Grace note)」演奏聲音。

 

首先，各別來看單獨的Si「B4」和Do「C5」的單音演奏聲音，可以觀看影片，聆聽聲音，並參閱圖示中間上方，是這2個「B4」和「C5」單音演奏的聲音，以及對應的「時間波形」(time waveform)。對照影片的「裝飾音(Grace note)」演奏聲音，可以知道是快速的、間歇的、連續的敲擊這2個音階的鐵琴片。

 

其次，可觀察參閱圖示左下方，是「B4」和「C5」「裝飾音(Grace note)」演奏聲音所對應的「時間波形」，可以看到有「重擊效應」(beating effect)的時間波形特徵，讀者可參考先前單元：#184，【為什麼會有Beating現象？】。隨後，再深入討論為什麼會出現「重擊效應」？以及形成的原因？

 

針對得到的「B4」和「C5」單音演奏的聲音「時間波形」，進行「頻譜分析」，可以得到如圖示右上方的「聲音頻譜」(sound spectrum)。讀者可參考先前單元：#27，【甚麼是頻譜分析？】。

 

在先前單元：#253，【如何解析打擊樂器–顫音鐵琴的聲音特徵？單音演奏】指出，對打擊樂器如「顫音鐵琴」的解析評估，採用了3種評估方式，都有其對應的評估「指標」：

 

1.      「音高」(Pitch)：「指標」是「基音頻率」(fundamental frequency)。

2.      「音色」(Timbre, tone color)：「指標」是「泛音頻率」(overtone frequencies)。

3.      「持續度」(Continuity)：「指標」是「衰減率」(decay rate) σ。

 

第一個評估方式，「音高」：不同音階的「音高」，其標準頻率，例如：B4 = 493.88 Hz、C5 = 523.25 Hz，讀者可參考先前單元：#48，【音階標準頻率】。由圖示呈現，量測到的「第一個峰值」頻率，就是「基音頻率」，B4-1^st = 496.88 Hz、C5-1^st = 525.0 Hz，和「音高」的標準頻率，非常相近，因此，「音高」是準確的。

 

第二個評估方式，「音色」：要觀察除了「基音頻率」之外，所有的其他「峰值頻率」，就是「泛音頻率」，組成了這個「顫音鐵琴」的「音色」。其中，「B4」和「C5」單音演奏的聲音，「第一個泛音頻率」都有較高的dB值，也就是有比較高的聲音貢獻度。在較高頻率的「峰值」(peaks)，dB值就比較小，也就是比較小的聲音貢獻度，但是，對「音色」的聽感，仍有相當的影響。

 

第三個評估方式，「持續度」：從「時間波形」，有「指數衰減」(exponential decay)現象。在此，以「衰減率」(decay rate) σ來定義「持續度」的量化指標。兩個「B4」和「C5」單音演奏聲音的「衰減率」分別是：「B4」σ=0.661，「C5」σ=0.599。讀者可參考先前單元：#133，【什麼是聲音的衰減現象？】。

 

接著，對「B4」和「C5」「裝飾音(Grace note)」的「時間波形」信號，進行了「頻譜分析」(spectral analysis)，可以得到如圖示右下方，「B4」和「C5」「裝飾音(Grace note)」的「聲音頻譜」(sound spectrum)。可以看到分別有「B4」和「C5」的「基音頻率」以及「第一個泛音頻率」都有較高的dB值。較高頻率的「峰值」(peaks)，dB值就比較小，也就是比較小的聲音貢獻度。

 

再來觀察「B4」和「C5」「裝飾音(Grace note)」的「時間波形」，為什麼會出現「重擊效應」呢？由圖示，可觀察到「重擊週期」(beating period) T=0.0355 sec，對應的「重擊頻率」(beating frequency)，大約是 f = 1/T =28.17 Hz，參閱圖示左下方的頻率計算說明，可以得知f =28.17  Hz，來自「C5」和「B4」「基音頻率」之頻率差的影響，因為，兩個頻率很相近，使得有明顯的「重擊效應」(beating effect)。

 

最後，觀察一下「B4」和「C5」「裝飾音(Grace note)」的「衰減率」σ=0.365，比單音演奏「B4」σ=0.661，「C5」σ=0.599，比較小，所以，衰減就比較慢。

 

綜合一下這個單元的討論，針對「顫音鐵琴」的「B4」和「C5」「裝飾音(Grace note)」演奏聲音，探討其聲音的特徵，綜合如下：

 

1.      進行「量測」：可以取得「時間波形」信號，可觀察時間域的特徵。對「裝飾音(Grace note)」比較特別的就是有「重擊效應」(beating effect)的時間波形特徵，來自「C5」和「B4」「基音頻率」之頻率差的影響。

2.      進行「分析」：就是進行「頻譜分析」，可以取得「聲音頻譜」圖，可解析出主要貢獻度的「峰值頻率」，包括：「基音頻率」和「泛音頻率」，以及組成「音色」的其他較小dB值的高頻率之「泛音頻率」。

3.      進行「診斷/評估」：可以透過 (1) 「音高」的「基音頻率」、(2) 「音色」的「泛音頻率」、以及 (3) 「持續度」的「衰減率」，探討聲音的特徵。

 

以上個人看法，請多指教！

 

王栢村

2022.02.21

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