【振動噪音產學技術聯盟】網頁導覽影片

為提供訪客更多、更清楚的資訊,我們建立【振動噪音產學技術聯盟】網頁導覽影片,只要10分鐘的時間,快速為您介紹聯盟網頁架構、網頁內涵及如何應用,讓您多了解【振動噪音產學技術聯盟】網頁!

振動噪音產學技術聯盟

Facebook粉絲專頁

《振動噪音科普專欄》姆指琴系列(2):如何解讀姆指琴的聲音頻譜?有甚麼特徵?

這個單元是姆指琴系列專欄的2,要來探討:如何解讀姆指琴聲音頻譜」?以及其「聲音頻譜有甚麼特徵呢?

 

甚麼是姆指琴(Kalimba)呢?參閱圖示,可知道姆指琴如何演奏,就是以手持音箱,並以兩手的姆指撥動琴片,進而會發出聲音,所以稱為「姆指琴」。

 

在此,再回顧一下「姆指琴構造」,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。

 

參閱圖示的左側,為「姆指琴」實體結構的發聲機制示意圖,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,參閱圖示左側下方圖示,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:

 

1.          SSource激振源。就是施加在「琴片」上的作用力𝒇𝒋 (𝒕)

2.          PPath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」。「結構路徑」的振動與「空氣路徑」有互相耦合效應,進而可以發出聲音。

3.          RResponse響應或Receiver收受者。理念上,可以在結構上,以「加速規(accelerometer)量測得到結構振動的響應,以𝒂𝒊 (𝒕)表示。另外,可以在空間中,以「麥克風(microphone)量測發出的聲音,以𝒑𝒌 (𝒕)表示𝒂𝒊 (𝒕)是「結構路徑」的Response響應,而𝒑𝒌 (𝒕)是「空氣路徑」的Response響應。

 

針對姆指琴」的「琴片#04」,撥奏琴片」可以量測到聲音的時間波形𝒑𝒌 (𝒕),如圖的右上圖示,時間波形𝒑𝒌 (𝒕)有明顯的衰減現象。

 

時間波形𝒑𝒌 (𝒕)進行「FFT頻譜分析(讀者可參考#107單元:【對一個信號進行頻譜分析,可以得到甚麼?),可以得到的對應「聲音頻譜𝑮𝒑𝒑 (𝒇),其特徵探討如下:

 

1.          聲音頻譜𝑮𝒑𝒑 (𝒇),水平軸是頻率(frequency),單位是Hz;垂直軸是「聲音振幅」大小,以dB表示。

2.          由「聲音頻譜𝑮𝒑𝒑 (𝒇)曲線,可以看到有多個「峰值(peaks),圖示有標示出對應的頻率值。理念上,這些「峰值頻率」都會發出聲音。

3.          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」。

4.          其他的「峰值頻率」,稱為「泛音頻率(overtone frequencies)。讀者可參考#156單元:【甚麼是「基音頻率」和「泛音頻率」?】。

5.          琴片」編號對應的「音階」:「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」。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」。讀者可參考#48單元:【音階標準頻率】。

6.          音準(pitch):接著,要觀察這7根「琴片」的「音準」,也就是取該「琴片」的「基音頻率」和「音階標準頻率」相比較。以「琴片#04」為例,「基音頻率= 173 Hz,「音階標準頻率= F3 = 174.6 Hz,計算其頻率之誤差,如圖示表格顯是為 -0.92%,事實上,要有好的「音準」,「頻率誤差」應該要< ±𝟎.𝟑𝟒%,從此7根「琴片」的頻率誤差來看,都超過< ±𝟎.𝟑𝟒% 這個基準,顯然這個「姆指琴」的聲音品質是沒有到位!

7.          如何調整「琴片」的「音準」呢?由前一個單元已知:「琴片」越長,其「基音頻率」越低;反之,「琴片」越短,其「基音頻率」越高。所以,可以透過微調「琴片」長度,能夠校準每一根「琴片」的「音準」。

8.          音色(tonality):不同的樂器,都能夠彈奏演奏出相同「音階」的音,而人耳都能夠分辨出來,主要就是「音色」的差異,這個「姆指琴」的「音色」,就是「泛音頻率」的組成。讀者可參考#135單元:【為甚麼可以辨別出鋼琴、提琴、鐵琴的聲音?】。

 

最後,統整一下這個單元的討論,透過實際量測撥奏「姆指琴」的「琴片#04」聲音,分析討論重點如下:

 

1.      聲音的時間波形𝒑𝒌 (𝒕)聲音壓力(sound pressure)的波形,有明顯的衰減現象。

2.      時間波形𝒑𝒌 (𝒕)進行「FFT頻譜分析:可以得到對應的「聲音頻譜𝑮𝒑𝒑 (𝒇)

3.      由「聲音頻譜𝑮𝒑𝒑 (𝒇)曲線:可以看到有多個「峰值(peaks),理念上,這些「峰值頻率」都會發出聲音。

4.      基音頻率(fundamental frequency):通常「第一個峰值頻率」會有最高的「聲音振幅」,稱之為「基礎頻率」,也就是「基音頻率」。樂器要有好的「音準」,其「基音頻率」和「音階標準頻率」的「頻率誤差」應該要< ±𝟎.𝟑𝟒%

5.      泛音頻率(overtone frequencies):「聲音頻譜𝑮𝒑𝒑 (𝒇)曲線中,除了「第一個峰值頻率」外,其他的「峰值頻率」,都是「泛音頻率」,這些「泛音頻率」的組成,就形成了這個「姆指琴」獨特的「音色」特性。至於「姆指琴」的「音色」好不好聽呢?這就見仁見智了!這就是一個樂器設計的重點。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2021.02.02

文章粉絲團連
YouTube影片連結 
訂閱電子報