【創意海風琴 】神奇公共藝術

文/簡麗賢  |2022.03.18
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聽音樂有很多好處,例如減緩壓力、提升睡眠品質。音樂會的樂器,不外乎弦樂器、管樂器和打擊樂器等,本文介紹一種非常特殊的樂器「海風琴(Sea Organ)」。為了解海風琴的創意設計,先認識樂器發出樂音的原理。圖/怪醫鳥博士
聽音樂有很多好處,例如減緩壓力、提升睡眠品質。音樂會的樂器,不外乎弦樂器、管樂器和打擊樂器等,本文介紹一種非常特殊的樂器「海風琴(Sea Organ)」。為了解海風琴的創意設計,先認識樂器發出樂音的原理。圖/怪醫鳥博士

文/簡麗賢 

聽音樂有很多好處,例如減緩壓力、提升睡眠品質。音樂會的樂器,不外乎弦樂器、管樂器和打擊樂器等,本文介紹一種非常特殊的樂器「海風琴(Sea Organ)」。為了解海風琴的創意設計,先認識樂器發出樂音的原理。

弦樂器如胡琴、吉他、小提琴;管樂器如梆笛、長笛、單簧管,能發出聲音,其中原理與物理學的「駐波」和共鳴有關。

什麼是駐波?拉琴時,兩端固定的弦受到擾動,形成弦波,弦上的入射波和反射波的波長及振幅相同,反向前進的兩弦波,在彈性弦上相遇,形成合成波。此合成波既不向左也向右傳播,而是在原地振盪,我們稱之為駐波,它亦是樂器發出聲音的原理。

駐波腹點 振幅最大



管樂器利用空氣柱形成駐波,管風琴內的空氣柱,皆有一系列的自然頻率,也正是形成穩定駐波的頻率。像小提琴兩端固定且長度一定的弦線,其駐波的頻率不只一種,所有駐波的頻率統一稱為諧音。振動頻率最低的音,稱為第一諧音,也稱為基本諧音或「基音」;若比基音的頻率還大,則這些較高頻率的諧音稱為「泛音」。第二諧音的頻率為基音頻率的2倍,稱為第一泛音;第三諧音的頻率為基音頻率的3倍,也稱為第二泛音;以此類推。

樂器發出的聲音通常由好幾個諧音以不同強度組合而成,諧音的相對強度不同,合成波的波形就不同,音色也不同。音調的高低由基音頻率決定,所以不同樂器雖然可發出相同頻率的聲音,但聽起來卻不一樣,就是因為波形不同而具有不同的音色,每一種樂器都有它獨特的音色。

長直空氣柱的管樂器,依駐波形成分為「開管」和「閉管」式兩種。兩端都是開口端的管樂器,例如長笛,空氣柱兩端為的氣壓與大氣壓力相同,氣壓變化小;形成駐波時,兩開口端都是空氣分子振動位移、幅度最大的地方,此處稱為駐波的「腹點」,形狀像大肚子模樣。

按放器孔 改變音調



發生共鳴的空氣柱管內,至少出現1個空氣分子振動位移為零,但氣壓變化最大的位置,則是駐波的節點,此處像繩子打結,波在此被綁住,無法振動。兩端開口的管樂器,手指按放氣孔,改變空氣柱長度,可以改變音調高低。

位於克羅埃西亞的札達爾市,有一著名海邊景點──海風琴,或稱為海浪管風琴。

海風琴公共藝術景點的設計靈感,來自於建築師聆聽海浪拍打岩石的聲音。海風琴沿岸有黑白相間代表琴鍵的石階外,最特別莫過於利用海浪推動空氣,在深埋於大理石堤岸中的塑膠管中,產生駐波而共鳴,並將聲音傳到頂層白色石階平面的小孔洞,使漫步的遊客感受海浪協奏曲。

以共鳴空氣柱的物理概念,設計成公共藝術景點,科學與藝術兼具的城市海風琴,創意十足,在2005年啟用後,翌年即榮獲歐洲城市公共空間獎,實至名歸。

共鳴空氣柱

利用已知頻率的音叉發出特定頻率的聲音,在空氣柱形成共鳴,探討共鳴現象與駐波的關係,如右上圖所示。

聲波向水面傳播,入射波遇到水面會反射,此時入射波與反射波會因相遇而干涉,形成駐波,產生共振現象,空氣柱就會發出最大的共鳴聲。這是管樂器發出共鳴聲音的概念。

空氣柱共鳴現象與駐波的特性有關。

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