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數位音樂科技!(4. 電子樂器如何發出聲音?)

數位音樂科技!(4. 電子樂器如何發出聲音?)

2014-03-04 ‧ 官大為(Wiwi)

在這個系列的前三篇文章中,我們都把焦點放在「保存聲音」這件事情上,在短短大約150年間,人類對於保存聲音方法的實驗和創意,真的是非常的厲害。所以,接下來該是要談談「樂器」的時候了,畢竟沒有樂器先發出聲音,你哪裡會有聲音可以保存呢?

前三篇文章閱讀:
數位音樂科技!(1. 聲音檔案裡面是什麼?)
數位音樂科技!(2. 人類歷史的第一個錄音?)
數位音樂科技!(3. 以前怎麼保存聲音?)

發出聲音的東西

根據維基百科上的定義,「樂器」就是「被用來發出聲音的裝置」,基本上任何可以發出聲音的物品都可以被稱作為樂器,一個物品是否為樂器,是根據使用者使用它的「意圖」而定。

(題外話,我覺得這個「意圖說」的定義還滿有道理的。根據這個理論,如果你在廚房切菜的時候,覺得菜刀和砧板發出的聲音很好聽,於是你就故意很有節奏的切菜,這麼一來你的菜刀和砧板就變成了「樂器」。反過來說,有些房屋建商喜歡租一台高級平台鋼琴放在他們的接待中心,只是覺得這樣很漂亮但並沒有彈奏它的意圖,這個時候這台鋼琴就變得不是一個樂器了。)

電子樂器如何發出聲音?

不過我們今天的重點是「數位電子樂器」,你在家裡使用的數位鋼琴、演唱會時歌手在舞台上彈奏的 keyboard、以及iPhone或者是iPad上面的音樂軟體都是怎麼發出聲音的呢?為什麼有些電子樂器的聲音,可以聽起來這麼像真實的樂器?

數位電子樂器產生聲音的方式其實有很多很多種,但大致上我們可以把它歸成兩大類:一種是「用數學算出來的聲音」,另一種是「預錄好的聲音」。你在一般樂器行裡買到的、設計給一般家用的電子樂器,大多是屬於後者,所以我們今天要把焦點先放在它們上面。

教你的電子樂器說話

你家裡的數位鋼琴,裡面又沒有槌子和琴弦,為什麼可以發出真的鋼琴的聲音呢?其實原理很簡單,是因為你的樂器製造商做了以下的六個步驟:

  • 他們找來一個人。
  • 然後他們找來一台真的鋼琴,最好是很高級、很貴的牌子的那種。
  • 然後他們在鋼琴旁邊架麥克風。
  • 叫那個人按下鋼琴的每一個鍵一次,錄下來存成音樂檔案。因為鋼琴總共有88個鍵,所以他要彈88次,你得到88個音樂檔案。
  • 跟那個人說他可以下班了。
  • 把剛剛錄下來的音樂檔案存到數位鋼琴裡面,完成!

    所以你的數位鋼琴,之所以可以發出真的鋼琴的聲音,是因為它裡面存的,的確就是預先錄好的真的鋼琴的聲音。樂器製造商只要在電鋼琴裡的程式設定,按下每個琴鍵,就播放對應的聲音檔案就可以了。

    這種使用預先錄好的聲音來發聲的電子樂器,我們統稱它們為「取樣器」(sampler)。

那大聲小聲呢

那數位鋼琴為什麼也能像真的鋼琴一樣可以彈大聲小聲呢?那是因為數位鋼琴的鍵盤底下有一塊電路板,它可以偵測琴鍵按下去的速度,接著把測得的速度轉換成一個數字送給取樣器的程式。

不過接下來發生的事,在各種樂器就很不一樣了。

通常便宜的樂器模擬強弱的做法是:拿同一個音樂檔案,當演奏者彈大力的時候就把音量開大聲一點,彈小力的時候就關小聲一點。但這種只是改變音量的做法,聽起來會很不自然,所以高級的、昂貴的樂器不會這樣做。

而如果是高級的電子樂器,模擬強弱的做法是:

  • 再把剛剛彈鋼琴那個人找回來 。
  • 給他一台真的鋼琴,旁邊架麥克風。
  • 但這次不只叫他每一個鍵按一次,而是叫他從弱到強、每一個鍵按下不同力度的20次。
  • 鋼琴有88個鍵,每個琴鍵彈20次的話,你就會得到88x20=1760個音樂檔案。
  • 把全部的檔案存到數位鋼琴裡,依照演奏者按鍵的力度,播放對應琴鍵、對應力度的音樂檔案。


    (他彈了很多次,所以有很多檔案)

    這種比較高級的電子樂器,因為是真的把樂器各種可能的力度都錄下來,表現力將會遠遠優於只是單純調變音量的便宜樂器。我們把每個琴鍵所儲存的音樂檔案數量稱為「取樣層次」或「力度層次」,理論上取樣層次越高,就越能完整表現真實樂器的各種力度變化。

聽聽看!

我接下來要播放兩個音樂例子給你聽。第一個是使用便宜的、每個鍵只有1個力度層次的鋼琴音色;第二個是昂貴的、每個鍵有20個力度層次的鋼琴音色。

第一個例子:
第二個例子:

你也許會覺得,其實那個便宜的音色也沒有很糟糕對不對?

不過再聽一次,這一次試試看注意:在1個層次的便宜鋼琴音色中,我不管彈大聲或者是小聲音色都是相同的,只有大小聲的差異。而在昂貴的鋼琴音色中,大小聲的音色變化就有如真的史坦威鋼琴一樣。

第一個例子:
第二個例子:

剛剛那位彈鋼琴的人下班了嗎?

還有人關心剛剛那位坐著把鋼琴的88個鍵,每個都按過20次的可憐蟲嗎?

如果樂器製造商,真的想要做出超級擬真的鋼琴音色的話,他可能還要考慮更多鋼琴的其他的情況:鋼琴有右踏板和左踏板,兩個踏板都可以踩或者是不踩;鋼琴有琴蓋,琴蓋可以全開、半開、或者是不開;鋼琴的踏板踩下去跟放掉都會有雜音,踩下或放掉的速率不同雜音也會不同;鋼琴的放掉也會有雜音,放掉的速率不同雜音也會不同⋯⋯

所以如果你要做一個考慮到以上事項的20個層次的鋼琴音色的話,那位彈鋼琴的人必須:

  • 把每一個鍵都彈過不同力度的20次,一共1760次。
  • 「踩右踏板、踩左踏板、兩個踏板都踩、都不踩」這四種狀態都要有1760次,所以一共1760x4=7040 次。
  • 這7040次還有「琴蓋全開、半開、不開」的三種狀態,所以7040x3=21120次。
  • 為了讓重複的聲音更自然,通常同一種狀態會準備不只一個音樂檔案,假設我們每一種狀態都準備三個檔案就好的話(以高階樂器來說算是少的了),那他就要彈21120x3=63360次。
  • 以上都全部彈過之後,再來錄下每一個鍵用各種不同速率放開的聲音,踏板用不同速率放開和踩下的聲音⋯⋯

    這個被我們請來彈鋼琴的可憐人,要坐在鋼琴前面彈至少63360個單音,也難怪他會覺得有一點累了。

Sample everything

了解了取樣器的運作方式以及製作電子音色的流程之後,你可能會想,既然我們可以把真的鋼琴的聲音錄下來,放到數位鋼琴裡面彈,那我們是不是也可以把便當盒、吸管、冰箱、垃圾桶或其他亂七八糟的聲音錄下來,放到數位鋼琴裡面彈呢?

答案當然是肯定的,接下來要給你聽的這個例子,就是我在三年前,收集我家裡的聲音,運用取樣器製作而成的作品。

下一篇我們還要繼續討論更多關於電子樂器的事情,敬請期待囉!

(Wiwi)