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《振動噪音科普專欄》銅鑼使用不同敲擊頭,聲音有甚麼差異?


這個單元的主題,在探討:銅鑼使用不同的敲擊頭,敲出來的聲音有甚麼差異?銅鑼如1是一個大型的銅鑼,使用了5種不同的敲擊槌,包括以手握拳頭敲擊銅鑼。

在敲擊銅鑼時,同步以麥克風量測銅鑼的聲音,可以取得聲音的時間域波形(time waveform),進行「頻譜分析」也可以得到「聲音頻譜(Sound spectrum)。【甚麼是頻譜分析?

首先請讀者觀看影片,聽一下這5種「敲擊槌」敲出來的聲音,分別是:鋼頭較硬頭硬頭軟頭、以及手握拳頭。參閱1及影片,要探討觀察這5種「敲擊槌」敲出來的聲音差異,可以從以下三個面向,現象說明如下:

1.      聽感:「聽感」本來就是很主觀的,本人聽起來,硬的「敲擊頭」敲擊聲音,雜碎高頻音,不是好聽的「聽感」。以「手握拳頭」的聲音,聽起來較有震撼、盪漾的感受。
2.      時間域波形:銅鑼敲擊聲音都有「衰減」的現象,大致可以觀察出,越硬的「敲擊頭」,「時間域波形」衰減的越快。最軟的「手握拳頭」聲音迴盪的時間最久。主要是低頻率的結構振動模態,衰減的比較慢。什麼是聲音的衰減現象?
3.      聲音頻譜:銅鑼的「聲音頻譜」大致可以觀察出,越硬的「敲擊頭」,在高頻率的「聲音頻譜」有較大的「聲音振幅」。常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?

接下來,要探討的是:為什麼使用5不同敲擊頭,銅鑼的聲音會不一樣呢?在此實驗,都是使用相同的銅鑼,不一樣的是不同敲擊頭」,那麼不同的「敲擊頭」,有怎樣的影響呢?

1.      敲擊頭」的大小(重量)
2.      敲擊頭」的材料?
3.      敲擊施力的輕重?

在此,引用SPR系統方塊圖」理念的流程做說明:甚麼是ISOSPR

1.      Source:就是激振源(excitation source),在此,當然就是「敲擊槌」作用在銅鑼的「敲擊力(impact force)
2.      Path:就是結構路徑(structural path),也就是「銅鑼」,因為是相同的銅鑼,可以說「Path」結構系統是相同的、不變的。
3.      Response:就是系統的響應,也就是銅鑼受敲擊力」後,引發銅鑼的振動,進而發出聲音的響應。

由於,「激振源」的S敲擊力」不同,雖然「銅鑼」的P結構路徑」相同,所以「銅鑼」的R聲音響應」當然也不同了。銅鑼振動與聲音特性探討及虛擬測試

那麼不同的「敲擊頭」,所引發的「敲擊力」有甚麼差異呢?觀看影片或參閱2,分別標示了「敲擊力」在「時間域波形」的示意圖,以及對應影響的「聲音頻譜」頻率範圍,討論如下:

1.      敲擊力」的「時間域波形2,在時間域標示了對應不同「敲擊頭」的「敲擊力」時間域波形示意圖,以紅色表示,須注意,只是相對的比較示意圖。「敲擊力」均呈現接近「半正弦波」的波形,越硬的「敲擊頭」,「半正弦波」的週期越短,因為,硬的物體碰撞時,「敲擊頭」與「銅鑼」接觸的時間短。而,越軟的「敲擊頭」如「手握拳頭」,「半正弦波」的週期越長。
2.      敲擊力」的「外力頻譜:對應於「敲擊力」的「半正弦波」的時間域波形,其「敲擊力」的「外力頻譜」影響的範圍,以黑色標示。在此需注意,一樣只是示意圖的概念說明,黑色線段標示的範圍,相當於「敲擊頭」的「敲擊力」所影響的頻率範圍。可以觀察:「半正弦波」的週期越短,「外力頻譜」影響的頻率範圍就越高。反之亦然。可以觀察最軟的「敲擊頭」如「手握拳頭」,其「外力頻譜」主要集中在低頻率範圍,約1000Hz。隨著「敲擊頭」越硬,影響的頻率範圍逐漸升高,分別大約是2000Hz5000Hz7000Hz9000Hz

由以上討論,可以知道敲擊頭」越軟,敲在銅鑼上的「敲擊力」的「半正弦波」週期越長,因為,比較軟的「敲擊頭」與「銅鑼」接觸的時間較長。此時,「敲擊力」的「外力頻譜」影響的頻率範圍就越小,也就是激發銅鑼振動模態的頻率範圍比較低。因此,聽感就是比較低音,而有震撼與盪漾的感受。又因為,低頻率的「振動模態」之「衰減效應」,比高頻率的「振動模態」要小。

綜合一下本單元的討論,以5種不同「敲擊槌」,敲擊銅鑼發出來聲音的差異比較,分別由:「聽感」、「時間域波形」、「聲音頻譜」,可以觀察其不同的特徵。探討方向:

1.      探討不同的「敲擊頭」材料:可以了解軟、硬「敲擊頭」材料,對敲擊聲音的差異影響。
2.      SPR系統方塊圖」的理念,探討解析其原理:主要是「激振源」的S敲擊力」不同的影響。
3.      觀察「敲擊力」的「半正弦波」週期:與「敲擊頭」和「銅鑼」敲擊的接觸時間有關。「敲擊頭」越軟,「敲擊力」的「半正弦波」週期越長。反之,「敲擊頭」越硬,「敲擊力」的「半正弦波」週期越短。
4.      觀察「敲擊力」的「外力頻譜」影響的頻率範圍:「敲擊力」的「半正弦波」週期越長,影響的頻率範圍越小。反之,「敲擊力」的「半正弦波」週期越短,影響的頻率範圍越大。

另外,敲擊頭」的大小/重量、或是「敲擊力」的施力力道,雖然也會有影響敲擊聲音的響應,不過,「敲擊頭」的大小及施力力道,主要影響的是「敲擊力」時間域的「半正弦波」之「振幅」,所以大致上是整體大小聲的變異,對於「聲音頻譜」的特徵而言,主要還是來自「敲擊頭」材料的軟硬度影響。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2020.03.25

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1、銅鑼使用不同敲擊頭,聲音有甚麼差異?(原始聲音信號)

2、銅鑼使用不同敲擊頭,聲音有甚麼差異?(標示外力信號)