鐵琴片音場分析與聲音品質評價技術之探討

Investigation on Percussion Sound Analysis and Sound Quality Evaluation for Metal Plate

黃家賢

鐵琴片 ； 有限元素分析 ； 打擊樂器 ； 聲振耦合分析 ； 客觀評價指標 ； metal plate ； finite element analysis (FEA) ； percussion instrument ； vibro-acoustic analysis ； objective evaluation index

屏東科技大學機械工程系所學位論文

2016年

碩士

王栢村

繁體中文

一般市面上打擊樂器種類繁多，可分為有調打擊樂器及無調打擊樂器，卻沒有一個標準聲音品質評價技術來評價眾多打擊樂器的聲音品質，本研究針對結構振動分析與最佳化設計之研發成功案例的具簡諧倍頻音打擊樂器進行聲振耦合分析，獲得音場之響應預測之頻譜，建立客觀評價指標，並探討主客觀指標之關聯性，探討打擊樂器聲音品質之評價技術之應用，其技術可應用於其他打擊樂器。本研究採用有限元素分析，分別探討簡諧鐵琴片之結構模態與空氣結構耦合模態之特性，進而了解區別結構振動模態與空氣結構耦合之聲場模態之關聯性。透過文獻回顧參考各種樂器的樂音評估指標，本文建立了打擊樂器客觀評價之參考指標，並透過各種客觀指標之範例探討對打擊樂器之適用性，了解音準、音色、持續度、頻譜質心等指標於打擊樂器的評價。利用聲音模擬程式模組由實際聲音頻譜特性可以模擬出對應的實際聲音響應，透過人耳感覺評斷探討其程式模組之可行性，最後，利用聲音量測分析程式與聲音模擬程式模組，探討打擊樂器主客觀評價指標之關聯性，且評價指標之關聯性具有合理性，適用於其他不同種類的打擊樂器。

There are many types of percussion instruments that can be categorized as the tuned and un-tuned; however, there is no proper sound quality evaluation method to quantify percussion instruments. This work aims to perform vibro-acoustic analysis on the harmonic sound plate (HSP) developed by adopting structural vibration analysis and optimum design method. The percussion sound spectrum from HSP can then be predicted and used to obtain objective evaluation index that will be compared with subjective evaluation. The evaluation methodology can also be adopted for other percussion instrument as well. This work applies finite element analysis (FEA) to determine structural vibration modes of HSP as well as the air-structure coupling modes. Both structural vibration modes and air-structure acoustic modes can be, respectively, interpreted. Through literature reviews on various musical sound quality evaluations for different musical instruments, this work builds up the objective evaluation indices, in particular for percussion instruments, such as pitch frequency, tonality, continuity and spectrum centroid. Sound simulation program module is developed to generate the sound response with the knowledge of sound spectrum information. The subjective evaluation is conducted by human ears to validate the effectiveness of the program module. Finally, by the integration of sound measurement and sound simulation program modules, the correlation between the subjective and objective evaluation results can be justified and applied to different percussion instruments.

1. 2.王栢村，簡孝名，2012，「具有簡諧倍頻音之音板結構」，中華民國發明專利，發明第I 377556號。(專利權期間：2012年11月21日至2030年9月9日)
   連結：
2. 4.王栢村，簡孝名，2015，「具有簡諧倍頻音之音板結構」，中華人民共和國家知識產權局發明專利，專利號：ZL 2011 1 0410671.1。(專利權期間：2015年02月25日至2031年12月12日)
   連結：
3. 6.王栢村，謝明憲，趙天麟，2008，「基於聲音特性之鐵琴片型狀設計」，中華民國音響學會第二十一屆學術研討會，台中，論文編號:A1-3。
   連結：
4. 7.王栢村，蔡有倫，張嘉軒，張宏名，黃凱昱，2013，「塑膠管打擊樂器之設計與製作」，第二十一屆中華民國振動與噪音工程學會學術研討會，台北，論文編號:B0006。
   連結：
5. 8.王栢村，施旻穎，徐羚育，劉軒廷，蕭信宏，張家豪，2013，「不鏽鋼管打擊樂器之設計與製作」，台灣聲學學會第26屆學術研討會，台北，論文編號C4。
   連結：
6. 9.張年華，2010，「基於良好聲音品質之高爾夫球頭結構逆向工程設計分析」，碩士論文，國立屏東科技大學，機械工程學系，屏東。
   連結：
7. 13.Zhihong, L. and Chuijie, Yi., 2008, “The Analysis of Vibro-Acoustic Coupled Characteristics of Ball Mill Cylinder Under Impact Excitation,” Modern Applied Science, Vol. 2, No. 6, p37.
   連結：
8. 15.王栢村，吳祥瑞，徐秀娟，高正賢，2011，「古鈸打擊聲音特性之探討」，第十九屆中華民國振動與噪音工程學術研討會，大葉大學。
   連結：
9. 16.王栢村，吳銘峰，2011，「銅鑼模型更新及其聲音與振動特性探討」，中華民國音響學會第十九屆學術研討會論文集，新北市，第327-333。
   連結：
10. 18.王栢村，簡孝名，2010，「鐵琴樂器之聲音特性分析與驗證」，機械技師學刊，第3卷，第2期，第1-7頁。
    連結：
11. 19.王栢村，董時沛，徐秀娟，高正賢，2012，「特殊設計簡諧倍頻鐵琴組之聲音品質評估」，中華民國振動與噪音工程學會第20屆學術研討會，彰化，論文編號：B-04。
    連結：
12. 22.莊肯堯，翁榮源，徐茂濱，李十三，2006，「二胡樂音指標之建立與蟒皮對於音色之影響」，第十四屆中華民國振動與噪音工程學術研討會，宜蘭，論文編號：C16。
    連結：
13. 23.Ras, Z. W., Xin, Z.,and Rory, L., 2007, “Multi-way Hierarchic Classification of Musical Instrument Sounds,” The 3rd International Conference on Multimedia and Ubiquitous Engineering, Seoul , pp. 897 – 902.
    連結：
14. 24.Yoo, J., and Rossing, T. D., 2006, “Acoustics of the Korean percussion instruments: Pyeongyeong and pyeonjong,” The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 120, pp. 3075.
    連結：
15. 25.Rhaouti, L., and Chaigne, A., and Joly, P., 1998, “Time-Domain Modeling and Numerical Simulation of a Kettledrum,” Applied Acoustics, Vol.105, pp. 3545-3562.
    連結：
16. 26.Pico, R., Gautier, F., and Redondo, J., 2007, “Acoustic Input Impedance of a Vibration Cylindrical Tube,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 301, pp. 649-664.
    連結：
17. 27.Wicaksana, H., Hartono, S., and Wei, F. S., 2006, “Recognition of Musical Instruments,”, IEEE Asia Pacific Conference, Singapore, pp. 327-330.
    連結：
18. 28.Labuschagne, I. B., & Hanekom, J. J., 2013, “Preparation of stimuli for timbre perception studies,”The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 134, No. 3, pp. 2256-2267.
    連結：
19. 1.簡孝名，2010，「具和弦音與簡諧倍頻音鐵琴片之設計分析」，碩士論文，國立屏東科技大學，機械工程學系，屏東。
20. 3.Wang, B. T., Chien, H. M., 2012, “Board Capable of Generating a Harmonic Sound,” United States Patent No.: US 8,299,342 B2, Date of Patent: 10/30/2012, Effective Date: 3/15/2032.
21. 5.王栢村，謝明憲，2009，「和弦鐵琴片之聲音特性與設計分析」，中華民國音響學會九十八年會員大會暨第二十二屆學術研討會，台北，論文編號：A006，第26-34頁。
22. 10.王栢村、張宏名、黃家賢、余冠德、吳盈輝，2015，「鐵磬打擊樂器之聲振耦合分析」，台灣聲學學會第28屆學術研討會，台北，論文編號：A-03。
23. 11.王栢村、余冠德、黃家賢、吳盈輝，2015，「古鈸打擊樂器之聲振分析」，中國機械工程學會104年度年會暨第32屆全國學術研討會，高雄，B07-2198。
24. 12.盧士一，陳秋蓉，2005，「有限元素法在聲振耦合分析應用—以耳罩為例」，第十八屆中華民國音響學會暨學術研討會，台北，第280-287頁。
25. 14.Jensen, K., 1999, “Envelope Model of Isolated Musical Sounds,” In Proceedings of The 2nd COST G-6 Workshop on Digital Audio Effects, Trondheim, Norway, pp. W99-91–W99-94.
26. 17.Wu, C. W., and Huang, C. F., 2012, “An Innovative way to Implement Chinese Chime-Bell Sound Synthesis,” National Chiao Tung University, Vol. 7, No. 06,. pp. 22-26.
27. 20.徐茂濱，吳佳宗，2010，「以客觀法評量狼音之改良對二胡音質的影響」，中華民國音響學會第二十三屆學術研討會，台中市，第153-158頁。
28. 21.鍾欣樺，徐茂濱，林昱廷，李十三，2009，「二胡穿透力客觀指標的探討」，中華民國音響學會第二十二屆學術研討會，新北市，論文編號：A008。
29. 29.Gwak, D. Y., Yoon, K., Seong, Y., & Lee, S., 2014, “Application of subharmonics for active sound design of electric vehicles,”The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 136, No. 6, pp. 391-397.
30. 30.Bules, J. C., 1995, Brightness Measures of Trombone Timbre, Doctoral Dissertation, Musical Arts, University of Washington, USA.
31. 31.Zicari, M., MacRitchie, J., Ghirlanda, L, Vanchieri, A., Montorfano, D., Barbato, M. C., and Soldini, E., 2013, “Trumpet Mouthpiece Manufacturing and Tone Quality ,” The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 135, pp. 3872-3887.
32. 32.Jensen, K., 1999, “Envelope Model of Isolated Musical Sounds,” In Proceedings of The 2nd COST G-6 Workshop on Digital Audio Effects, Trondheim, Norway, pp. W99-91–W99-94.
33. 33.蔡有倫，2013，「具簡諧倍頻音鐵琴組之設計與製作」，碩士論文，國立屏東科技大學，機械工程學系，屏東。
34. 34.董時沛，2012，「具簡諧倍頻音銅鑼組之設計」，，碩士論文，國立屏東科技大學，機械工程學系，屏東。
35. 35.https://en.wikipedia.org/wiki/Pitch_(music) (Wikipedia search “pitch”)
36. 36.簡孝名，2010，「具和弦音與簡諧倍頻音鐵琴片之設計分析」，碩士論文，國立屏東科技大學，機械工程學系，屏東。
37. 37.陳品豪，2009，「鑼臍型式銅鑼之聲音及振動特性的探討與設計分析」，碩士論文，國立屏東科技大學，機械工程學系，屏東。
38. 38.Jensen, K. K. 1999. Timbre Models of Musical Sound: From the model of one sound to the model of one instrument. København: DIKU, University of Copenhagen.
39. 39.謝長鴻，2012，「客制化振動與噪音量測與分析系統之開發」，碩士論文，國立屏東科技大學，機械工程學系，屏東。