科學咖啡館 Café Scientifique

引言整理與節錄：

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題目原本定為音樂中的科學，但是範圍太大，所以決定以物理領域相關的內容為主，在這裡可以說音樂的物理就是在探討音色，討論不同樂器如何產生不同音色。關於樂器的探討也可以從生物演化的觀點來看：中國所有的胡琴都有一個共同的祖先，就是奚琴，但現在已經不太知道它長什麼樣子了。不過從之前的文獻中可以看到，它的型制跟現在南管的二弦幾乎一模一樣，後來奚琴除了南管的二弦，還發展出胡琴家族，以及很多不一樣型制的樂器與音色。

那麼，為什麼要有這麼多不一樣型制的樂器呢？可以說，樂器是一種輻射演化(divergent evolution)，主要是為了不同音色。

另外一個例子是在波斯，有種叫Zurna的雙簧樂器，它往東往中國傳就成為嗩吶，往歐洲傳就成為雙簧管。同一個樂器祖先會演化出這麼不同的樂器，關鍵在於不同文化對音色(與音量)的需求與考慮是不一樣的，因而產生這種適應結果。

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音樂聲學這門學科，主要在探討一個樂器產生一段音樂，人是如何去聽的(如何認知與美學意義)？另一方面則是探討音樂如何產生，傾向物理層面。

首先我想從聽覺切入。聽覺對生物來說，它的功能並不是一開始就為了欣賞音樂，而是為了生存有一些更基本的作用。聽覺主要告訴我們兩件事情，第一個是聲音從哪裡來(where音源)，因為我們有兩隻耳朵，可以判斷音源的方位；第二個則是去判斷這是什麼東西發出來的(what音色)，而what即牽涉我們如何看待不同的音色，也就是今天要講的關於音色的認知。

可以發現，音色對生物來說是一種蠻重要的聽覺能力，每個人都能聽音色，但是何謂音色？

音量可以透過強弱來定義，音高有高低之分，可是音色的定義到現在仍然不太容易。而美國國家標準局對音色的定義，它使用一種很間接的方法：音色，即據以區別兩個同音量同音高的音的聽覺指標。也就是說，聽見相同音量、相同音高的兩個音，還能夠區別出兩個音的不同，其憑藉的就是不一樣的音色。這個定義有個問題，它只告訴我們音色不是什麼，卻沒有告訴我們音色是什麼。

不同樂器決定其音色有什麼關鍵性要素？

實驗：將鋼琴與大提琴的一段音樂，從後面往前放，做一個時間上的倒轉，去觀察它們的泛音狀態。所以假如音色是由泛音長度來決定的話，時間倒轉應該無法察覺它們的音色有什麼改變(泛音只是被反著播放，長度未變)。但是倒轉以後，雖然旋律是變成從後面往前演奏，大提琴還是可以聽得出來那就是大提琴，鋼琴就聽不太出來，反而變得像手風琴。

從這個實驗可以發現，實際上有些音的音色並不完全是由頻譜或泛音的相對強度所決定的。像鋼琴這類擊絃樂器的聲音特徵，會隨著擊完鍵而衰減，每個音彈下去以後都只會漸弱(擦絃樂器可以漸強)，這個特徵就構成我們分辨它是不是鋼琴的一個關鍵。而大提琴的音色到轉以後我們還是能夠分辨。

這牽涉了音色的認知可以分為靜態跟動態兩個面向：靜態面向就是它的頻譜特徵，凡是擦絃樂器或管樂器，基本上都是靠頻譜特徵去分辨它們的不同音色，這類樂器的共通點是可以演奏出穩定長音，在物理上其聲音具有周期性；另外一種樂器呢，分辨其音色的方法，是根據它一個音彈下去之後波型隨著時間的包絡(動態)，這類樂器則有打擊樂器，都是點狀聲響(fixed-point)。

(舉了不同波型包絡特徵的例子，在聽覺上有什麼不同)

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今天要介紹音色認知的面向，主要會集中在靜態的頻譜特徵上。其實這相當複雜，不容易量化研究，不過我好不容易才找到幾種比較可以量化的；第一個就是明亮度，凡是一個在高頻泛音上面分配有比較多能量的聲音，聽起來會比較亮。另外一個是空洞度(hollowness)，指能量比較集中在奇數倍的泛音上，聽起來便會比較空洞。

以中國笛子為例，它的發聲原理是從嘴唇噴出一個氣流，去撞到一個尖銳的邊緣，氣流就會高速在尖銳邊緣震盪(如圖)。中國笛子的吹口上有一層笛膜，笛膜的聲音屬於非線性震盪，能夠產生高頻泛音，會影響管內聲波的震盪。笛膜要有皺紋才能吹出好音色；而中國笛與長笛音色上最大的不同是中國笛明亮許多，有人猜測因為中國笛是竹子做的，像竹子的音色。但是有個實驗證明聲音明亮度與材質是不相關的。只要把笛膜用手遮起來，笛音就會變得很暗(聲音檔示範)，所以笛膜才是中國笛可以產生高頻泛音的主要原因。笛膜的震動受管內壓力波所驅動，當第5、7、9個等奇數倍泛音強於偶數倍泛音時，笛子音色就導致了另一項特徵，即所謂空洞度(這個名詞頗具爭議性)，但實際上聽起來並不容易判斷。雖然某些樂器都有空洞度，但是形成空洞度的原因都不太一樣。

頻譜特徵有時候也能夠影響我們對音高方面的認知。正常情況下，人耳大多只能分辨出基音，也就是音高，而隨後出現的泛音影響了我們對音色的判斷，我們卻聽不見；不過在某些特殊情況下，就可以聽見個別的泛音。特定泛音被強調以後，它會不斷改變這團音的音色，也會改變我們對這團音的感覺與音高認知。

有些樂器或歌唱技巧，擅長讓人耳聽見一個音裡面的泛音，例如口簧琴或泛音唱法(overtone singing，或稱喉音唱法、雙音唱法)等，這些都是發聲後透過改變口腔形狀而去凸顯特定泛音；例如蒙古、西藏一帶圖瓦共和國的tuva歌手就是使用泛音唱法，它只有一個長低音，但我們也同時能聽到一個(由泛音所構成的)旋律線，只要張口大一點，高頻泛音就會被特別強調出來。這聽起來像一個人可以唱兩個聲部，對西方人來說感覺很不可思議。

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另類歌唱方式：吼叫的人聲。可以發現它的頻譜特點，是在拋弱線條上有鋸齒狀的起伏，也就是泛音與泛音之間出現了雜質，分辨一個人的吼叫主要是根據這些特徵。而吼叫的產生則牽涉到喉嚨在生理學上的構造，透過喉部的三道關卡：聲門上結構、聲門與聲帶所形成。一般正常說話的時候，只有振動到聲帶，但吼叫時連聲門上結構都會動，而且動得比聲帶慢，也沒有規律的振動週期，聽不出音高更聽不出旋律，因此形成吼叫的特色。(這是需要苦練的)

這裡牽涉到一些非線性物理，假如把喉嚨當成是一個震盪系統，那它在時頻與域頻(？)中就有不同振動的可能性。第一種是最具週期性的limit cycle，它的聲波非常具有週期性；而當週期性稍微受到影響，有了一強一弱一強一弱這種情況的時候，就會產生像在繞圈圈的週期倍增，這種聲波在做頻譜分析之後，就會看到泛音之間出現了新的東西，有人把它稱為次泛音，在頻譜上則會呈現「一片」的狀況，沒有什麼振動的規律。

（播放活生生的聲帶慢動作影片！）

人類為什麼吼叫? 1.傳達憤怒，2.為了搖滾樂，3.運動中的自然吼叫。而雄性動物在爭奪地盤或爭奪配偶的時候，會藉由比較雙方的體型大小，大的自動就贏小的自動就輸了，就不用打了；而吼叫的好處是不用打，用聽的就知道體型大小，因為身體越大的動物，它的共鳴管就越長。(但也有欺敵戰法，例如把共鳴管壓低產生渾厚低鳴甚至是noise，或如鳥類共鳴管演化得比較長)


問題群

♪ - 比方說，說話時沙啞的聲音，也是跟泛音有關？例如更具磁性聲音是因為泛音的頻譜特性所造成的嗎？
a – 有可能是因為聲帶振動是不規則的，會有noise(雜音)，就可能產生沙啞的聲音。或是因為振動週期倍增，而產生磁性(的聽覺認知)。沙啞的音質有時候會造成磁性，就有些人喜歡這種有點不太純淨的歌聲。西方音樂比較偏好純淨的歌聲，但反觀陳松勇(演員)，他的聲音演起黑道就很有味道。

♪ - 我們在使用調音器分別把兩個音調準以後，兩個音合奏時卻發現有差異(兩個音合不起來)，是因為出來的泛音偏掉了，還是赫茲(Hertz)不同?
a – 每個樂器的單音出來，泛音一定是它的整數倍，假如兩個音完全一樣，它的泛音也會完全一樣，只是如果你的第一泛音差一Hertz的話，它的第五泛音就會跳到五Hertz，所以聽起來越來越嚴重，因為音準的問題，泛音越高的差異就會放越大。有可能是這樣。

♪ - 人在聽不同分貝的相同音高，為什麼感受會不一樣？
a - 從儀器上看起來兩個音的強度是一模一樣的，但人耳聽起來會覺得一個強一個弱；其實人耳的聽覺在2000赫茲到3000赫茲之間最敏感，在這個範圍內只要有一點點聲音就聽得到，20赫茲以下兩萬以上就聽不太到，但是儀器對赫茲的感應不會像人類這樣，它都感應得到。人類的聽覺系統是選擇性的，因為習慣了語言(約在1000～5000hertz之間)的使用，而放棄過高與過低的音。

♪ - 空洞度剛剛介紹過物理面解釋，但我比較好奇的是認知面，為什麼要把這樣的聲音用空洞度來形容？
a – 空洞度一般聽起來有點負面，寫博士論文的時候有問過我的指導老師，我的猜測是：當我們去聽一個圓柱體，一端開一端畢的時候，這種管子發出來的聲音具有奇數倍泛音比較強的特色，就是比較空洞的音色。但是從形狀到聲音的聯結並不能雙向解釋，因為並不是所有像這樣的管狀樂器都會具有空洞度，例如長笛，也不是所有具有空腔的容器奇數倍泛音都比較強。

♪ - 陳政宏老師民調參與者的背景，知道頻譜是什麼的請舉手？一半一半。因為剛剛用了很多物理的名詞跟概念，像這樣的研究方法不管是物理還是生物，配上關於音樂的研究，而內容偏重理工科，但是研究聲音又不太像理工科的一般研究，想請問這種跨領域的研究感想為何？
a – 教學時假如學生的背景不同，會有太難或太簡單的問題，但研究領域中多以理工科人為主，音樂系比較少，假如課程是開在音樂系，問題較小，但如果是理工科，溝通上會較容易有問題。現在很多研究生物力學，這也是一種跨領域學科，例如剛才說到脊椎的穩定性。
台灣在跨領域研究這方面成不成熟還是個問題，台灣重視傳統分科，跨領域反而像兩邊不是人，音樂學界認為我是物理學，物理學卻認為我是音樂學，不務正業。
其他聲學領域明確知道他們不要什麼音色，但音樂聲學則否，這牽涉主觀認知與文化現象。樂器發聲原理是在樂器已經被演奏透徹以後才出現，透過經驗法則去摸索音色，但是演奏者不知道自己為什麼做得到。也就是說，研究音樂聲學是沒有什麼實用性的，因為演奏家早已練出一套方法了，在歷史上真的由理論帶動新的樂器製造的情況，據說只有兩個，其中一個是打擊樂。其餘就像個盲目的鐘錶匠，樂器是演化的，還是使用演化概念，背後並沒有一個全知的設計者。所以關於樂器物理的研究都只是盲目嘗試，然後事後諸葛，只能解釋既有現象，不能產生新作品。

♪ 關於東方樂器，聽起來並不比西方樂器在合聲學上來得和諧，這點有辦法從研究中提出解決嗎？在泛音上有些大和絃跟小和絃達不到要求
a - 音色跟律制是不同的，但是什麼音有什麼泛音規律是一樣的，穿管樂器與絃樂器每一個基因的全部泛音都是其整數倍，不太會有例外，如果有也可能是琴弦過粗，像棒子就不是弦了，才產生一些頻率不合的泛音。但以律制來說，準確度在中國音樂(聲音亮)中並不太重要，反而講究韻味；西方樂器追求結構(柔和)，要求和諧圓潤，泛音頻率一般都不會超過一萬二。這還牽涉一個社會文化的審美傾向如何形成的問題。


今天的討論因為時間問題，就討論到這裡，非常謝謝各位的參加。