科學史沙龍

追尋完美音色之路

300年前的義大利製琴師致力打造名琴,現代跨界音樂家則嫻熟合成器,不變的是對音色的掌握與講究。

撰文/高英哲

科學史沙龍

追尋完美音色之路

300年前的義大利製琴師致力打造名琴,現代跨界音樂家則嫻熟合成器,不變的是對音色的掌握與講究。

撰文/高英哲

(影像來源:台大科學教育發展中心)


「科學史沙龍」也可以藝文氣息十足。2016年12月27日的講座,台灣大學科學教育發展中心這次以樂器音色為主題,邀請曾獲金鐘獎和金曲獎肯定的跨界音樂家柯智豪以及台灣大學化學系教授戴桓青,分別從合成器與小提琴來探討音色的原理與奧秘。


新時代音樂創作利器


每天沉浸在音樂環境中的柯智豪,這次為了讓聽眾體會合成音樂的創造過程,搬來一整套合成器,直接把聲波投影在大銀幕上,聽眾可以眼見耳聽聲音與波形的同步變化。柯智豪從最基礎的聲音特性談起:聲音訊號幾乎無所不在,既能跨越空間,又可標記時間,是生物最基本、變化最多端的「隔空能力」。聽覺一方面沒有選擇性(你可以選擇不看黑板,卻無法聽不到老師講課),另一方面也需要專注力(無論背景一片蟲鳴鳥叫,或是工地施工,我們還是能聊天或聆聽某人的說話內容)。


因此比起視覺,動物傾向發出聲音示警,因為用肢體傳達危險可能難以引起注意,而同伴一定聽得見淒厲的尖叫。然而柯智豪認為,人類雖然與其他生物一樣,都能運用基本發聲能力與同伴溝通,人類卻有一個決定性的優勢:運用符號。除了我們熟知的文字和數字,音符也算是一種表徵聲音的符號,而且聲音訊號能夠透過人類自主意識發出。


音樂創作正是人類把運用聲音訊號的能力提升到藝術層次。除了利用各種傳統樂器,近代我們也有電子合成器。「合成器」顧名思義,就是藉由疊加不同頻率的正弦波(sine wave)來形成新的波形,就能產生不同的聲音。理論上,只要具備夠多的正弦波,就能夠合成出各種五花八門、甚至匪夷所思的聲音。


柯智豪接著為聽眾示範,合成器如何藉由不同的合成方法,成為現代音樂家製造各種聲音的最佳利器。合成可以用減法,也就是把不同的正弦波彼此部份抵消,形成新的波形;每個人的嘴巴都是天生的減法合成器,可以透過嘴型把某些頻率的聲波消除。不過在合成音樂的實際應用上,比較常使用加法合成:透過疊加各種波,可以製造出幾不可辨的低頻音,也可以發出人耳難以久耐的高頻音。


柯智豪說,倘若音樂創作者不必考量樂器的頻寬限制,作曲時想寫什麼音就寫什麼音,能夠揮灑的空間自然寬廣。實際上,樂器受限於物理特性而有各自的音色與頻寬,不過作曲時也不需要所有樂器的頻帶都很寬,否則多種樂器擠在同一個頻帶爭相表現,聲音反而會變「混濁」;作曲家會根據各種樂器最擅長的音色與頻寬,為它們撰寫專屬的曲式。這也是為什麼各樂器分部單獨演奏時似乎都不成調,但是只要經過泛音的合成原理,就能呈現出美妙和諧的合奏音樂。


這就是合成器作曲的基本原理,而其便利之處就在於它等同「一人樂團」:像柯智豪這樣的跨界音樂家,毋須受限於單一樂器的頻帶限制,能夠隨心所欲合成出任何他想要的音樂。有聽眾問,如何用合成器呈現純律跟十二平均律的差異?柯智豪說,就技術面,合成器運用泛音沒有限制,然而音樂有地域性,各文化習慣的曲律不盡相同,對於不習慣的泛音組合接受度有限。合成器讓作曲家有能力「跨界」創作不同類型的音樂,然而最需要跨越的,仍是不同文化間的鴻溝。


如何打造名琴?


對於過去沒有合成器的演奏家來說,擁有一把具有上好音色的樂器,便能發揮一身技藝。能夠擁有一把音色甜美明亮的史特拉底瓦里琴 (Antonio Stradivari),或是深沉有力的耶穌瓜奈里琴(Giuseppe Guarneri del Gesu),是小提琴手畢生的夢想。不過這些價值不菲的名琴,音色究竟哪裡出眾,又是如何達到這種效果?


戴桓青給小提琴的音色下了定義:「投射能力」,也就是琴聲不用很大,就能夠清晰傳到遠處。聽眾問到科學方法能否定義什麼音色才堪稱名琴,以做為鑑定名琴價值的標準。戴桓青認為這沒有想像中那麼簡單,因為除了琴本身,舉凡琴弓、演奏家或是演奏環境都有可能影響音色表現。若要建立客觀且公認的音色標準,可能需要人腦鮮明可靠的短期記憶,在短時間內比較大量名琴演奏的音色;然而這些天價名琴能夠借出的時間短暫,很難恰巧湊在短短一兩天找來大量聽眾聆聽比較。


小提琴手認為名琴的投射能力極佳,但要如何達到這種效果?提琴的材質是研究者第一個想到的因素,尤其是影響音色最關鍵的正反兩片木板:前板用雲杉製作,背板是楓木,都不是稀有品種,今日要用同樣的木材製琴並不困難;琴身的幾何形狀也是可能因素,不過這很容易測量,依樣畫葫蘆同樣不難;也有人懷疑名琴的塗漆秘方,然而化學分析結果又似乎無甚特別之處;戴桓青猜測小提琴上漆之後可能需要陳放上百年,才能產生特定化學變化,造就卓越音色,但這當然無法在短期內得到答案;另外曾有學者分析名琴的木料樣本,認為木材經過特殊化學處理,放久會發生分解反應,不過製琴界並不認同,他們覺得名琴久放,木材反而變硬,不像是分解。


戴桓青在奇美博物館贊助下取得名琴木料樣本進行化學分析。他先從基本化學成份著手,把這些木料先溶解,並用電漿火焰予以原子化,再用質譜儀分析,結果發現與一般楓木比較之下,史特拉底瓦里琴背板使用的楓木富含鋁、銅、鈣、鉀、鈉、鋅等金屬元素,疑似經過特殊化學處理。戴桓青推測,史特拉底瓦里當初這麼處理應該不是刻意優化音色,很可能只是為了防蟲防黴;如果這些元素對音色有助益,大概也是偶然。


對於木材放久會發生分解反應的說法,戴桓青則用核磁共振檢驗名琴木材的有機成份,發現其中將近1/3的半纖維素在300年內分解,證明時間確實對木材的有機結構有影響。他再對木料進行加熱分析,發現隨著半纖維素分解,其吸水能力也減低了1/4。最特殊的是,同樣是史特拉底瓦里所製的琴,小提琴的半纖維素分解情形更甚於大提琴,可能是小提琴長期受到高頻振動影響所致。


從這些化學分析結果來看,現在的製琴師只是單純用風乾法增加木材彈性,對於如何用礦物質處理木材以增添提琴音色,顯然一點頭緒也沒有;就算當初真有什麼獨門秘法,現在也已經失傳,這些年來,製琴師都是憑感覺在製琴。因此戴桓青感嘆道,這項失落的知識技藝若是不想方設法趕緊補遺,再過個一、兩百年,這些名琴木料進一步分解後,就再也無法拉出如此優美的音色,到時候連一探究竟的機會也沒有了。


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