《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?單音演奏

 

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1,要來看的是單音演奏」聲音的特徵分析。

 

圖示右上角看到的是一部「顫音鐵琴」打擊樂器,可以看到有類似鋼琴的白鍵和黑鍵,這是一部共有3個八度音階的「顫音鐵琴」。

 

這個單元要來看的是,演奏單一音階時,鐵琴的聲音會有甚麼樣的特徵。首先,當然就是要進行聲音的量測,參閱圖示左下方,是敲擊「C4音階」鐵琴片,所量測得到的「時間波形(time waveform)信號,從影片中,可以聽到鐵琴片的聲音。

 

從「時間波形」,除了看到有衰減的現象外,是看不出來有甚麼樣的特徵。所以,會進行「頻譜分析(spectral analysis),可以得到這個鐵琴片的「聲音頻譜(sound spectrum)。讀者可參考先前單元:#27,【甚麼是頻譜分析?】。

 

參閱圖示中間下方,是「C4音階」鐵琴片的「聲音頻譜」,在x-軸是頻率,由010,000 Hz,在y-軸是對應頻率的聲音大小,以「分貝dB表示。讀者可參考先前單元:#55,【甚麼是dB】。

 

從「聲音頻譜」圖,可以觀察到有多個峰值(peaks),每一個「峰值」有其對應的「頻率(frequency)以及代表聲音大小的dB值。這些對應的「頻率」,就是主要發出聲音的頻率特徵。

 

到這裡,分別進行了(1)量測」聲音,得到了聲音的時間波形」。(2)分析」聲音,則是進行了頻譜分析」,得到了聲音頻譜」。

 

接下來要進行 (3)解析/評估/診斷」這個C4音階」鐵琴片聲音的特徵。在此提出3個評估方式:

 

1.      音高(Pitch)

2.      音色(Timbre, tone color)

3.      持續度(Continuity)

 

每一個評估方式,都有一個量化的指標(Index)

 

第一個評估方式,音高」:就是音階對應的頻率(Pitch frequency),而每個音階都有其標準頻率,例如:C4 = 261.63 Hz。讀者可參考先前單元:#48,【音階標準頻率】。

 

聲音頻譜」圖,可以觀察到有最大dB值的峰值」頻率,稱為「基礎頻率(fundamental frequency),就是「基音頻率,也就是音階的頻率,通常會是「第一個峰值」的頻率

 

從「聲音頻譜」圖,可以觀察到基音頻率262.5 Hz,和C4 = 261.63 Hz,是相當吻合,所以,音高」是準確的

 

第二個評估方式,音色」:先知道有「泛音頻率(overtone frequencies),也就是除了「基音頻率」外,所有的其他峰值頻率」,參閱聲音頻譜」圖,可以觀察到5個比較高dB值的峰值頻率」,就是「泛音頻率」,會貢獻到時間波形」,所以會聽得到泛音頻率」的聲音

 

不同的樂器,演奏相同的音階,人耳可以清楚的辨別出是鋼琴、小提琴、其他樂器、以及在此的顫音鐵琴」等不同樂器,主要是因為,不同的樂器,都有其各自的音色」,也就是有不同「泛音頻率」的組成。

 

第三個評估方式,持續度」:可以觀察到聲音「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,參閱圖示右下方,可得知衰減率σ的計算方式。而C4音階」鐵琴片聲音的「衰減率σ=1.204σ越大,衰減的越快,而σ越小,衰減的越慢。讀者可參考先前單元:#133,【什麼是聲音的衰減現象?】。

 

最後綜合這個單元的討論,主要在針對「顫音鐵琴」的「單音演奏」聲音,進行其特徵分析,主要有3個步驟:

 

1.      量測」聲音,得到了聲音的時間波形」。

2.      分析」聲音,則是進行了頻譜分析」,得到了聲音頻譜」。

3.      解析/評估/診斷」這個C4音階」鐵琴片聲音的特徵。

 

也就是MADI」的「量測」、「分析」、「診斷」,讀者可參考先前單元:#164產品振動噪音之量測、分析、診斷與對策 MADI for Product Noise and Vibration】。

 

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

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2022.02.18

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