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聲波的反射、折射、衍射、擴散、吸收和透射

二胡膜鳴樂器,發音皮膜固然是音質關鍵,即使用一張優質蟒皮加上純熟處理技術,如果蒙放在一枚聲學性能不佳琴筒上,那麼這把琴絲毫吸引不了人。

二胡琴筒幾何形狀對音色起到關鍵作用,木材化學物理特性則影響聲音吸收跟反射,能改變聲波泛音強度比例。

二胡皮膜振動產生聲音經過琴筒吸收.反射.透射與擴散混響後才是人們最後聽到聲音。

二胡琴筒採用硬木比重密度高,對聲音頻率反射率,硬木高於軟木,聲波在琴筒內各部位反射或衍射(無規則地向各個方向),使得聲擴散均勻,耦合了非協調非整倍數的雜頻提升音色。

聲波在傳播過程中若碰到障礙,就會改變其行進方向,就會產生折射及透射,障礙物的尺寸如果大於或接近聲波的波長,聲波無法跨越,產生屏蔽遮擋效用,部分聲波則能繞過障礙物的邊緣傳播,這就是繞射。聲頻率越高,聲繞射越不容易產生,琴筒內音槽越寬越深對高頻率聲波影響則越多,頻率越低聲繞射強力越強,由於聲波繞射作用,障礙物的遮擋作用較弱,這時障礙物對聲波的影響,稱為散射。散射使得小部分聲波偏離原來傳播方向,導致原方向上聲能的一部份被消耗,部份被吸收轉化為動能再轉成熱能後漸漸消失,音槽對較低頻率改變行進方向,使聲波在琴筒內行程加長,進而產生延遲作用,音槽是圓弧形亦會產生聲聚焦作用。

琴皮直射聲波到達筒尾受音窗阻擾,也過濾部分高頻,因此音窗透閉率越低,聲音聽起來較不明亮。

弓毛磨擦弦產振動,弦長短跟張力決定音高,而琴皮自身基本振動頻率固定的,耦合作用其中之一是對幾個不同振動頻率部件的音高音色起調節作用。(註1)

琴筒內空間小聲波來回反射時間差不足以產生明顯回聲(人耳對30ms延遲才能清楚分辨為回聲) 。直達聲和反射聲之間的延遲時間比回音稍短一些,耳朵仍然能分辨來回反射殘響時間差所形成不同音色。類似於卡拉OK聲音混響機能,ECHO效果可以美化音質。

某些琴音的混響混濁,源自於琴皮阻尼不足。弓和弦的磨擦使弦橫向位移,到達一定幅度,弦的恢復力彈力大於弓與弦的粘滯力時,弦就會反彈回來,琴弓摩擦弦連續作用下,形成反覆週期性運動。

弦透過碼傳遞振動琴皮,像盪鞦韆擺動能量會不斷累積增大,皮阻尼性不足時,便會產生自激振動,甚至使皮面產生分割振動。

清晰度與殘響是相對關係,前者越大,後者越小。

聲波在傳播過程中,如果遇到表面有凸凹變化的反射面,就會被分解成許多小的比較弱的反射聲波,這種現象稱為擴散反射。

當木材密度硬度都高,又當聲波入射角度較大時,此時聲波接近全反射比例。

各種聲波泛音接觸到琴筒後,反射比例會有差異,聲波中各種成份泛音互相會干涉.或疊加。

濕度增大琴聲音變悶,除了皮含水率上升因素外,濕氣也會使琴筒反射吸收改變即使只有表面受潮也會減少反射率,使琴筒響應頻率降低。聲波在空氣中傳播時,由於振動的空氣質點之間摩擦使一小部分聲能轉化為熱能,常稱為空氣對聲能的吸收。高頻吸收較多,低頻吸收較少。在琴筒中這現象可以忽略不計

PS :失衡 低音部受琴筒腔室空氣容積影響,請參照 消失基頻

直紋順紋目的是確保反射率均衡,木材結疤硬度密度高膠質含量高,都容易產生反射聲失衡,在此排除皮基頻或是皮膜發聲因素(包含自激振動)。

琴筒板材質反射跟吸收

聲波包含各種頻率泛音,木材硬度跟剛性(彈性模量)對不同頻率泛音的反射率跟吸收率不同,而改變了音質音色,木材硬度密度大,反射率越高,高頻被吸收少 表面光滑漫射少,聲音顯得僵硬偏冷調。

新筏木材膠質充滿管孔.半纖維素未經風化分解,因此詹卡硬度(註2)高,尤其對高頻完全直接反射,有些材質雖然密度比重高但因油份重反倒吸收較多高頻,油份豐富會造成琴筒黏著不易,油份與膠質,挫磨時憑手感能分辨兩者差異。

筒子形狀厚薄影響

1.聲聚焦是聲波從凹面反射產生的聚焦現象,例如音槽凹弧就具有聲聚焦作用,音槽改變聲波反射方向,使聲波停留在筒內時間延長,如果加寬加深音槽能獲得低音加強減少高頻雜音。

2.音槽後方內部平坦部份則擔任反射,聲波泛音在琴筒空間內混響。琴筒空氣腔室並非規格作大就能增加音量,發音源皮膜提壓縮空氣產生疏密波能量是固定的。琴筒內腔聚集聲波,避免四處輻射散失。如果能讓振波壘加及干涉減少,振幅加大聲壓提高,音量就會增加。

3.椎度收縮比越高增加反射混音比,椎度比越高聲壓越高,則琴筒響應基頻也會相對提高。椎度比高高頻折射次數多損耗大。後口跟前口關係 形成筒子椎度,椎度大聲音反射角大,停留時間長高頻在自由空間容易被散射和吸收,所以衰減的比較快損耗多於低頻衰減快,椎度小 聲音不夠集中偏空,椎度大聲音發悶會給人一種晦暗的感覺。京胡跟高胡琴筒就不收縮,讓高頻不受阻擋。

4.琴筒腰身是最薄部份,此處透射率最大,筒壁厚薄跟幾何形狀改變泛音組合,造就不同音質。改變木材局部厚薄,藉以調整彈性模量。

5.音窗透蔽率,會影響琴皮基本振動頻率,透蔽率低筒內空氣阻力增大,琴皮振動基頻下降。同時音窗也阻擋一部分高頻,有些老琴音調較悶便取下音窗,增加音質亮度。

6.開口小琴筒腔室大,振動空氣產生疏密波在筒內腔室放大會減弱聲壓,開口大小關係鼓動空氣面積,皮要蒙多緊,關係皮支撐力( 韌性 抗張力) 用開口大小來調整,承受2條弦側壓後振動頻率。皮薄高音明亮清脆,皮厚低音淳厚,發音敏銳則稍不足,筒子內膛內徑大加強低頻,這些都需要跟發音皮膜適當匹配才不致發渾。

7.筒壁薄聲波透射率多,近聽音量較大傳遠性略差。

8. 六角中心到各邊長度差距大,八角邊長差次之,圓形邊長相等。六角邊長差距大發出泛音更豐富,六角泛音音色最豐富。

琴皮振動使空氣產生疏密波,經過琴筒吸收反射,重組改變原有基頻音跟泛音強弱,然後再跟琴筒腔室內空氣產生響應,最終才是人們聽到聲音。

改變聲音反射吸收透射後重組因素很多,舉例來說,比重小於0.8結構較鬆木材,低音會偏向混濁,整體清晰度較差音質鬆散,若比重高於1.2木材高音部份生硬,連中低音高頻泛音也受影響,音質偏冷調,比重硬度只是其中之一因素。

木材製成琴筒,如果單憑外觀判斷物理聲學性能,很可能誤判,就像娶到一位美麗女郎結果脾氣很差,敲擊法篩選只是初步,畢竟二胡不是木琴敲擊樂器。

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P5049650.JPG  挫下來木粉怎會是白色?

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原來是煙灰

各位看官真拍謝,賣了各關子,因為咱們部會那種神棍式說詞,只好出此下策故弄玄虛。

 

(註1)當琴皮振動頻率在935hz,拉外空弦發出440hz音高(A4),此時調音器測出來依然是  440hz,琴皮膜面幾何形狀,不只一個基本頻率,通常以最強最低作為最主要基頻。

    弦振動頻率經過琴碼驅動琴皮振動,所呈現出來頻率是弦頻率。

(註2) Janka硬度  測量的木材的耐凹陷和磨損。

其方法是將一個直徑為 11.28毫米(0.444英寸)的鋼球插入到木材樣本中所需的力量

http://www.uafloors.com.tw/library4.html

 

木材中依導管細胞的排列又可分「散孔材」和「環孔材」。如果每一生長輪中導管的口徑相若且均勻分布的木材則稱為散孔材;如果導管口徑在早材中較晚材中大,橫切面中早材的大導管依著生長輪形成一環一環的排列,則稱為環孔材。典型的環孔材植物多生長於寒暑分明或乾濕季明顯的地區,可能因季節分明,生長季需快速大量的水分輸導,因此早材中產生大型且較多的導管,之後急速轉入遲緩生長狀態,故造成晚材組織細胞急驟變小,形成壁壘分明的組織形態變化

20180426補充 :時下坊間流行木工DIY製作,二胡結構簡單,稍具木工技巧的人都能做出二胡琴架子,功夫技巧好一些的,做出來美觀細膩絕對在水準之上,製作二胡架子必須理解聲學作用功能性。

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二胡亂台

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