[分享] 長笛的一些聲學原理(二)消失
以往我一直都不太喜歡談論聲學，原因之一，是這對於演奏技巧和音樂詮釋
的幫助相當微小，幾乎沒有。其次，是大部分人沒什麼興趣，談論這個主題
很像顯得我只是在show off我懂些什麼，很無聊。
不過，前陣子跟其他的音樂同好，討論到關於樂手的理學素養的問題。這位
同好認為，一個樂手當然需要具備人文素養和藝術品味，這一點從未被忽略
過。但是樂手的理學素養卻常常被忽略，可是其實音樂的製作和呈現，一直
需要「理工人」的幫助。樂器聲學可以幫助樂手演奏出更好的聲音、建築聲
學幫助音樂的現場演出有更好的聆賞效果、到了現代，錄音及混音工程，更
是占了最後成品很大的比重。
所以，我決定繼續寫下去，希望大家都可以更了解手上的樂器。
原本我想接續前一篇文章，講講vent hole和泛音，不過我後來想了一下，
決定回頭從更基礎的地方開始，來講講長笛的聲音的根源，氣簧究竟是什麼
以及氣簧如何形成。
我先借用Yamaha官網的影片截圖，告訴大家氣簧到底是什麼：
https://imgur.com/rpAdxmc
你的口和長笛吹口孔邊緣之間的那一道氣流，就是氣簧。我相信光這樣講，
還是會有人一頭霧水，且讓我慢慢道來。最近夏天快到了，不知道大家有沒
有注意到，當你走進某些賣場、百貨、大樓等等場所的時候，自動門打開，
而你走進去的那時，會感受到一股涼風從你頭頂上吹來？那是因為在門的上
方，裝設了風幕機(或稱風簾機)目的是利用風，來阻隔內外的空氣，使冷氣
不外洩、外頭的熱空氣也進不來。也就是說，強勁的氣流，形成了一道看不
見的門簾。
我們吹出的氣流，大致上也跟這風幕機的原理類似，它"大致上"阻隔了吹口
孔內外的空氣，相當於在吹口孔上蓋了一層薄膜。而這層由氣流形成的薄膜
其作用就類似單簧管的簧片、鼓的鼓皮，提供了空氣振動的來源。為什麼說
它只是"大致上"阻隔了吹口孔內外的空氣呢？因為我們在吹長笛時，口部的
開孔正常來說是比長笛的吹口孔寬度更小的。
https://imgur.com/MK0E7op
那麼氣簧為什麼沒事好端端的會振動呢？這是因為，長笛的內部，並不是什
麼都沒有，裡面有著滿滿的....空氣。我打個比方，如果現在有一堆人，想
要走進一節擠滿了人的車廂，你覺得這些人能夠順順的走進去嗎？一定會在
車門口附近發生推擠碰撞吧？同樣的原理，長笛的管身裡面，本來就已經裝
滿了空氣，現在你又塞了一堆空氣進去(吹氣)，那當然會在吹口處發生空氣
分子的推擠碰撞。
https://imgur.com/si4XMkP
那為什麼不是直接把氣流往外推擠出去，而是會形成內外來回振動？因為，
空氣不只存在於管身內，管身外也一樣有著滿滿的空氣啊。所以就會變成這
樣：
https://imgur.com/Vn1Pz8C
於是，氣簧就這麼來回振動了。想像一下你站在火車月台上，你身後有一群
急著想上車的人，車門打開，車廂裡也滿滿都是人，然後你被身後的人推擠
著向前。你撞上幾個站在門邊的人，接著他們去撞到其他人，然後其他人不
干示弱的撞回來，於是他們又撞上你，把你撞出去，但是你身後那些想上車
的人又推著你往裡面撞進去....
大概是這樣的情況，大家有機會去一些東南亞國家搭火車體驗一下吧 XD
講到這邊，我想大家應該同時也明白了，為什麼吹長笛需要適當的角度，為
什麼氣流整個往下灌反而只有風聲。
今天就先講到這裡，我花了幾天的時間思考，如何把氣簧的振動，能夠用比
較淺顯易懂的方式表達，最後發現還是需要圖片的輔助。
以下幾點補註，很抱歉我必須點出一些錯誤之處，之後如果有寫到時再解釋
詳細原理。
1.有版友提到空氣的溫溼度會影響聲音的傳播速度，並且影響音高。
錯了，空氣的溫溼度會影響聲音的速度，但是不會影響音高。
2.氣簧的振動，無論在開放管或封閉管，形成的原因都一樣。
至於前面有版友提到的"從第一個開孔鍵外部吸入空氣流向吹口"
以及在吹試管或寶特瓶時"靠吹進去的氣流反射回來推動氣黃"
很遺憾，這些都是把「波的傳遞」和「空氣的流動」兩者混淆了的誤解。
3.因為我提到「洩壓」這個名詞，有人誤以為管身內的空氣遭到「壓縮」
而講出「空氣從吹口進入被壓縮，空氣從音孔排出解壓縮」這種話。
我雖然談到壓力，但是我沒有說過空氣會被壓縮啊。
在這裡我稍微說明一下，「壓力」這個名詞在物理學上的定義。
「發生在兩個物體接觸表面、垂直於該表面的作用力，亦可稱為壓力」
舉個比較生活化的例子吧，當你拿杯子裝水的時候，可有想過杯中的水
此時也正受到地球重力的影響，理論上要四散流去的。但是，因為杯子
將水束縛住了，因此水才沒有四處流散。所以，水其實存在著一個往四
面八方去的力，但杯子提供了相對的力與之對抗，因此，水跟杯子之間
存在著壓力。但是水沒有被「壓縮」喔。
https://imgur.com/qpaU2Eq
因此從物理學的眼光來看，壓力無所不在。你把一樣東西放在桌子上，
這樣東西和桌子之間，就存在壓力。而長笛管身內的空氣，原本也應該
是四處流散的，是長笛的管身限制了這些空氣的運動方向。而當我們打
開音孔，便是在開孔處不再限制空氣的運動方向，這，就是「洩壓」。
最後，我必須要說，樂器聲學早已是一個十分成熟的領域，因此沒有什麼
個人看法的空間，我所發表的，也都不是我的個人看法，只不過是把前人
流傳下來的知識，嘗試用比較淺顯易懂的方式再傳遞出去而已。有興趣的
人，我還是鼓勵可以找書來看，其實會比我的文章更有意思。
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這是個好問題。讓我先把前後文複習一下，讓脈絡清楚一點。
先是有loona版友這樣的發言：
「空氣的溫度 濕度 壓力 都匯影響聲速 也就是會影響音高」
(因為是複製貼上，所以錯字照搬)
那麼我提出的糾正是：
「空氣的溫溼度會影響聲音的速度，但是不會影響音高。」
我相信，這可能跟許多人的經驗有落差，
我猜大家可能都感受過溫度的變化，讓樂器的音高受到影響。
很抱歉我忽略了這一點，原本是不希望整個朝物理學方向走去的。
首先，空氣的溫溼度，會影響聲音的速度，這一點是正確也無庸置疑的。
但是聲波在速度變快時，波長會隨之拉長，因此，頻率不變。
反之，聲波在速度變慢時，波長會隨之縮短，所以，頻率又不變了。
(這一段我等等在後面用一個簡單的數學題來說明)
由於原本loona版友的發言，看起來會很像是
「聲波速度變化，會影響音高變化」
因此我必須指正這一點。
但，這是指當空氣作為聲音傳播的「介質」的情況。
在管樂器中，「管內的空氣」在此時不應視為聲波傳播的介質，
而應該視為「振動源」本身，那麼，溫溼度的變化，就會影響音高了。
也就是說，溫濕度的變化，最後會影響音高，但並不是下列這樣：
(因為)溫溼度變化 → (所以)聲波速率變化 → (所以)音高變化
音高的變化，和聲波速率的變化，兩者之間是沒有因果關係的。
而是：
(因為)溫濕度變化 → (所以)管內空氣的振動速率變化 → (所以)音高變化
另外，再加上金屬本身的熱漲冷縮的影響，所以音高就會被影響。
這個....無法避免。所以音樂會中場休息的時候，樂手都在重新調音啊。
以下是用來解釋，為何聲波速度變化，頻率不會變的趣味數學題：
Q1.假設公車總站每天早上八點發出第一班車，且之後每隔半小時發一班。
客運公司規定所有的司機，必須保持時速60公里的行車速度。而我家跟
公車總站的距離也是60公里。剛剛我看到一班公車到我家了，但我沒上
車，請問下一班車我要等多久？
A1.這題相信大家都立刻知道答案，是30分鐘。
Q2.承上題，交通部有了新規定，所有的公車都必須保持時速40公里的行車
速度。那麼，我剛剛又看到一班公車到我家了，這次我又沒上車，請問
下一班車我要等多久？
A2.我們先看看第一題：八點發出第一班車，每半小時一班，時速60公里。
那麼，第一班車到我家是九點、第二班九點半、第三班十點....以此類
推，每班車到我家的間隔30分鐘。
那第二題呢？一樣八點發出第一班車、每半小時一班，但時速40公里。
那麼，第一班車到我家是九點半、第二班十點、第三班十點半....以此
類推，每班車到我家的間隔，依舊是30分鐘。
在上面兩個相關題目裡，我們還可以算出，在第一題，每一班車的「時
間間隔」是30分鐘，而每一班車的「空間間隔」會是30公里。因為第一
台車出發半小時之後，已經跑了30公里，此時第二台車出發。在第二題
時，每一班車的「時間間隔」是30分鐘不變，但「空間間隔」會縮短為
20公里。因為第一台車出發半小時之後，只跑了20公里，第二台車便出
發了。
好了，現在把每一班公車，都當成聲音中的每一個波(每一下振動)。而
每台車的「時間間隔」就是波的頻率，「空間間隔」就是波長。
假設我聽到一個振動頻率 100的聲音，表示每秒鐘有一百個波抵達我的
耳朵，每個波的時間間隔是0.01秒。就像是在公車路線上，有一百台公
車正在行駛，如果每一台車的速度都變快，那麼彼此的空間間隔(波長)
就會拉開，而抵達我家(耳朵)的時間間隔則不變。反之，如果速度都變
慢，那麼空間間隔(波長)就會縮短，而時間間隔依舊不變。
這就是「波速的變化，不影響波的頻率」因為頻率是時間的間隔。更好
的生活實例，你可以試試看找個防水喇叭，在水中播放音樂。水的聲音
傳導速率是空氣的四倍多，聽聽看聲音有沒有高兩個八度？
(但你如果在游泳池聽，因為水流很亂，可能會影響聲音)
※ 編輯: Mephist (27.247.8.157), 05/24/2018 17:13:33
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