碳纤维吉他声学解析101:是什么创造了RainSong的独特音色?

作者/Dr. John A. Decker, Jr. Chairman, RainSong Graphite Guitars Ph.D. Cambridge University, B.Sc./Aero Engg Massachusetts Institute of Technology
翻译/魔方乐器

一把碳纤维吉他——或者说是碳纤维面板——有它自身特殊的声音,就像你用云杉、红松或者垃圾桶做吉他面板,最后得到的声音也各不相同。

附注#1:
1.吉他发出的声音99%都来自于面板;
2.为了证明这一点,制琴大师Antonio de Torres(1830-1870)曾制作过一把面板为木质,背侧都是纸糊的吉他。这把琴现在仍保存在巴黎的一家博物馆里;
3.在盲测中,所有人听完都觉得这把琴是全木头的!

任何的面板内部结构都会音色造成影响,主要是由于其对泛音有着不同程度的削减。碳纤维与木材在声阻尼上有很大不同(声阻尼即振动能量转化为热能而非可听见的声音),而声阻尼决定了吉他的声音特征,所以碳纤维吉他与木质吉他的声音其实有着本质上的区别。

-木材的声阻尼-

在声频范围内,木材的振动衰减非常多,大多用于吉他制作的木材,只有50%的振动能量转换为声音,其余的则变为木材内有机化合物分子的内振动,也就是说其余50%转化为了热能。

另外,大部分木材的声阻尼呈现出缓慢增加的状态,而在接近1000Hz(不同的木材数值不一样)——即木材损耗50%的振动时,出现了一个拐点,超出了这个数值的频率,木材的声阻尼则开始迅速增加,每八度的振动衰减达到20db。这也是为什么木吉他上最高的那几个音听起来非常黯淡,你只能听到音头,但是听不到多少音高,因为其振动被严重削减,以至于你的大脑都来不及分析这些声音。

-非线性相互作用-

然而具体原理要复杂得多。我们之所以能够将木吉他和碳纤维吉他的音色区分开来,主要是基于大脑对2000 Hz~12,000 Hz左右频段内频率的分析。泛音以及其余更低频率的非线性混合的分布、数量及比例,给予一种乐器属于自己的声学特性。

这也是让木吉他听起来有“木头味儿”,垃圾桶敲起来“哐哐”响,而一把Rainsong听起来干净、明亮而纯粹的原因。如果使用严谨的定量物理对其进行分析是非常困难的。初中物理课上教的那些基础声学知识,都是在无损耗、无声阻尼的假设下进行分析,得到泛音曲线大多分布规律,呈指数衰减,并不产生频率混合,每个频率曲线都是独立的,互不干扰。

只有在非线性系统中(即在有足够的声阻尼,且不同的非泛音频率相互干扰的材料中),才会出现局部泛音削弱或增强,以及频率混合的现象。在非线性系统中无法用简单的算数来分析,事实上,恐怕只有用于计算原子能级的量子微积分才能满足此类计算。由于存在上百种频率,所有频率之间都以非线性模式相互作用,你可能需要一台超级计算机才能勉强得出一个近似的原声吉他振动模型!目前为止,即使在原声吉他的建模中使用尖端的技术,也仅仅只能分析出部分低频段的模型,离整体声学特征的模型还差的远。

另一方面,如果真的想准确测量吉他的声波并得到频率分布模型,也可以找一个消声室进行测量,这样能很大程度减少回声和其他音染。不过只有350 Hz以下的频率能被用于建模,高于该数值的频率曲线看起来类似白噪音图谱,根本没办法从其中分析出确切的振动模型,而人脑能够区分不同音色的频段就包括其中。

-Rainsong与木质吉他音色对比-

视频地址:https://v.qq.com/x/page/g05038gi9aa.html

附注#2:
1.曾经有过许多类似的实验,即让人们只凭听觉区分Stradivarius提琴和普通练习用提琴,或者是Ramirez古典琴和一把烧火棍;

2.实验证明即使从街上随便拉来一个人,都能准确的听出哪个是高端琴,哪个是烧火棍;

3.然而如果要让他们根据频率图谱或者振动模型来辨别,即使是专业研究乐器声学的物理学家也做不到。

-与木质吉他的对比-

现在我们就可以运用以上的理论来分析木吉他和碳纤维吉他的音色区别了。木材对声音的吸收在声谱中自始至终都呈现出非线性模式,其泛音的局部削弱或增强、以及频率混合的结构是非常复杂的。然而石墨材料(碳纤维的组成材料)在这些频段内几乎不会出现损耗和声阻尼。

这意味着碳纤维吉他面板基本按照线性方式工作,并有着规律的泛音模式。因此RainSong的声音衰减速度曲线几乎呈平稳状态,而不是在高频区域陡然增加,由于其高频段频率的衰减速度不像木吉他那么剧烈,它的高频声音也更加饱满充沛。高频泛音只有轻微衰减,其非线性相互作用也极少,呈现出分明的泛音分布。

关于Projection Tuned Layering™技术

RainSong为了制造碳纤维吉他,特别研发出一种名为“Projection Tuned Layering™”(PTL)的全新技术,专门适用于RainSong的全石墨结构材料。该技术正在申请专利,其技术细节在此就不详细介绍了。以下将大致介绍PTL的基本声学原理。

通常来说,我们都想提高原声吉他的音量。理想的吉他面板同飞机机翼及扬声器纸盆一样,应该有着良好的硬度和0重量,Rainsong在减轻面板重量的同时也提高了其整体硬度和频率响应度,并除去了传统音梁结构(传统音梁增加了面板的重量,且其加固作用有区域局限性)。

PTL能够增加面板的整体强度和声音。其结果带来了更加温暖的音色,低频更加充沛饱满,很好的平衡了RainSong标志性的明亮清脆的高频,乐器整体音量也得到了增强。习惯于木质吉他的乐手在初次接触RainSong时,很可能会惊讶于它轻盈的重量、细腻的音色、以及强有力的音量。

木质面板的强度和轻盈度是无法与经过PTL处理的碳纤维面板相比较的。另外这项新技术很大程度上提高了生产效率和质量管理,在提高制琴速度的同时确保了稳定的产品质量,这就意味着消费者能够以更低的价格买到更优质的产品。

这个问题的答案稍微有些长,但也能够帮助你真正理解RainSong吉他特殊音色的来源。不过也有更简单明了的答案,总结起来有以下几条:

与木质吉他相比
RainSong经过Projection Tuned Layering™技术处理,能够带来更大的音量
RainSong更加轻盈
RainSong有着更明亮清澈的高频
RainSong的声音更均衡
RainSong的音色更纯粹,泛音更丰富且有着更少的频率混合

至于到底哪种音色更好,还是取决于个人偏好,就像“你喜欢色彩分明的彩虹还是画家手上各种颜料混合的调色盘?”一样。

另一方面RainSong也为乐手们提供了一般木吉他无法实现的强劲音量和全面均衡的表现力。不过大部分RainSong的使用者们都觉得这把吉他会令人上瘾。

参考文献
[1] Symposium on Materials in Musical Instruments (1994), Materials Research Society, and published in MRS Bulletin, XX, No. 3 (March 1995).
[2] T.D. Rossing, in J. Guitar Acoustics, No. 4, p. 45 (1981); in The Science of Sound, Addison-Wesley, Reading, MA (1982); and in GAL Quarterly, Guild of American Luthiers, 11 (4), pp. 12-18 (1983) and 12 (1), pp. 20-29 (1984).
[3] F. Jahnel, Manual of Guitar Technology, Verlag Das Musikinstrument, Frankfurt am Main, Germany (1981); L. Cremer, The Physics of the Violin, The MIT Press, Cambridge, MA (1984); and A.H. Benade, Fundamentals of Musical Acoustics, Oxford University Press, New York, NY (1976), especially Section 24, pp. 527-553.

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