音樂與科學：樂音或噪音
104/02/03
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鄭德淵｜
臺南藝術大學／專題報導特邀編輯
「喂！音樂好吵！小聲一點！」、「嗩吶吹得好刺耳！真是吵死了！」、「拉好聽一點！好像貓叫狗叫！」這些抱怨很可能就發生在你周遭。音樂不都是好聽的嗎？樂器不就是能發出好聽樂音的嗎？
通常字典裡會有這樣的解釋：「聲音包括樂音與噪音，好聽的稱為樂音，不好聽的是噪音；樂器是能發出好聽的聲音，也就是發出樂音的器物。」這種說法不是很正確，因為音樂是生活的一部分，與文化有關，與時代也有關。年輕人在墾丁的音樂祭對年紀大的人來說，根本是噪音，而現代的流行歌曲在古代則可能被認為是「靡靡之音」，也不承認它是一種音樂。音樂史中常提到一個例子：某著名的音樂家在聽到中國的京劇時，認為是像貓在叫春般的難聽……。
這裡就要提到兩個面向了，一個是有量化數據的物理因素，另一個則是隨時間空間而有不同的心理因素。
頻率與音高
學音樂的人都知道440這個數字，它是指音波每秒振動的次數。在很安靜的時候，可以聽到日光燈會發出一個音高；拿起電話筒來也可發現有音高出現；若調整電鋸，也可得到和音叉一樣的音高；有人說他聽到了地震隆隆的振動聲，這個人一定很厲害，聽得到大地振動的聲音，但是很多動物都有這個本領，因此在人們還沒感覺到時，牠們可能就先驚慌逃竄了。
頻率是一個物理名詞，音高在習慣上可以等同頻率，但正確地說，應該是心理上的概念，是聲音的主觀量。一般人可以聽到的頻率約在16至25,000赫茲（Hz），或簡化為20～20 KHz，視人各有不同，也會隨年紀漸長而縮小。低於這範圍則稱為次聲，人類聽不出來；高於這範圍稱為超音，人類也聽不出來。但是狗或一些動物則可以聽到哨笛吹出的這些音，人們就藉由這特性製作了各式超音或次音的工具來訓練或驅趕某些動物。
鋼琴的音域是27.5～4,186 Hz，再低點人們或許還可聽到，再高些人們可聽到的音就多了。那為什麼不多加一些鍵？這有幾個原因，其中之一是受限於人們左右手能移動的範圍，除非像彈日本箏般，可以站起來去彈左右邊的鍵。另外一個原因是高音鍵的弦所能產生的音量，弦越短則音量越小或延時越短，高音若再加一個八度，可能導致音量延時或音色效果太差。但其實這些都是可以解決的。
另外一個問題是一般人可以分辨兩個音的能力。鋼琴是每半音一個鍵，其實再小一倍，也就是四分之一音，還是可以分辨的。再更小到八分之一音，即25音分，也尚可分辨，但西方音樂或中國音樂並沒有這樣的例子。
因此當我們聽到阿拉伯音樂時，會覺得怪怪的，而對其產生特別的印象。而學西樂的人對於某些地方音樂，如潮州音樂的「Fa音略低一點點」，或「Si音略低一點點」的四分之一音的差距總覺得不準，或聽了不舒服，這就是所謂的「律制」不同，其實沒有準不準的問題。
鋼琴為了和聲或轉調等處理，會把一個八度平均切為十二等分，從自然現象而言是不和諧的，但是現在已成為音樂中的英文–一種共同的語言了。就像臺灣人到湖南住個十年，可能會覺得「辣」的食物是很正常的一樣。
波形與音色
一般懂或不懂物理的人，都會說出「你的a音頻率不夠」之類的話（精確的說法應是：a音就是頻率440 Hz或442 Hz等），但音樂人不會說「波形」這個物理名詞。我們量心電圖時會出現重複的鋸齒波形圖或其他圖形，在物理上都可視其為大小不同的「正弦波」的疊加。把樂器放在頻譜儀中量測，也可看到類似的波形，音叉出現的是很圓滑的正弦波，中國的梆笛或高胡則是很多鋸齒狀的波形。
在音樂上，從五千塊的胡琴與五萬塊的胡琴可以聽出不同的聲音，我們說這是音色不同。或者小提琴與胡琴都拉相同的a頻率時，感覺也不一樣，我們也稱其為音色不同。如果用頻譜儀來分析不同的胡琴，會發現它們彼此是類似的。就像蜜豆冰，不同店家所賣的內容都差不多，但吃起來還是有差別，那是因為冰裡所含的料有些小差異。
在音樂上，我們說音色的差異是由泛音結構決定的。泛音結構指泛音的數目、強度、分布、相位等組成的情況，就像有的冰糖分較多，有的冰內放了一點核桃等。音叉的聲音曲線是由一種頻率的正弦曲線所組成，就像清冰。但樂器就不同了，它除了發出頻率440 Hz的a音外，還包含880、1,320等正弦諧波曲線，這些頻率曲線的合成就構成了音色的不同。
哪個成分多了，或哪個成分少了，就呈現了這個樂器獨特的特性，例如蘇州的胡琴與北京的胡琴，一個較柔一個較亮，哪一種較好？正如有人喜歡吃甜，有人則要少糖；唐代美女較胖，現代的美女要小蠻腰。這種音色的審美觀會隨文化、隨時空而有所變化，不能說其好壞。當然在某種環境下會有相同的看法，例如現在大家都喜歡厚而亮的音色，這可能跟周遭的吵雜環境有關。
討論波形，有興趣的人不多；討論音色，那可熱鬧了。學校的總務驗收人員搞不清楚一把一萬塊與一把十萬塊的胡琴到底有什麼不同，外表、聲音不都一樣嗎？正如西方人分不清韓國人、日本人或中國人般。我們會說雙眼皮較美，但現在呢？韓國的單眼皮帥哥當道。在音色方面，當然不同文化、不同時空也有不同的審美趣味。
我們會用視覺、嗅覺或味覺的形容詞來描述聲音，例如音色很甜、很酸澀、很透明、很飽和、很薄、很溫暖、很尖銳等。在農業時代，鳥語花香，一把音色「虛而扁」的胡琴拉起來就像清粥小菜；現在工業社會，充斥冷氣聲、馬路汽車喇叭聲，再拉虛而扁的胡琴，就像電風扇前蚊子叫，哪來感覺？因此現在的中國樂器都「改革」成音量大、音色厚的樂器，那種小家碧玉的感覺已不復見到。
聲強與音量
年輕人喜歡到夜店或者Live Show，感受那震耳欲聾的快感，包括聽覺與視覺上的刺激；但年紀大的人進到那些場合會被那喇叭聲震得心快跳出來，很不舒服。這裡就來談聲音的大小，那是一種心理感受，恰如寒天飲冰各人感覺都不相同。
測試聲音的強度是以音壓位準「分貝」（dB）來表示，一般最小可聽的極限是0分貝，頭上飛機的聲音是100分貝，西門町前大概80分貝，一般住宅是40分貝；管弦樂器演奏時，在其前方十公尺處銅管樂器的聲強不會超過80分貝，弦樂器則在60分貝左右。一個指揮在處理一首樂曲時，樂曲本身有強弱高潮，但又要把整個樂團的音量控制在50分貝左右，那是很不容易的。
其次要討論心理聲學，它是一門相當廣泛、跨領域的學科，因為人耳的功能以及感知樂音的特性，使心理上的感覺與物理的聲音有一些差異。例如人耳對3～3.5 kHz區域內的頻率較敏感，隨著頻率的降低，聽覺的靈敏度也逐漸下降。晚上喜歡開著收音機作功課的同學，可能會在男主持人解說時把音量稍轉大聲些，或聽到女高音唱歌時會覺得音量好像變大了，這都是屬於心理聲學討論的範圍。
在這個主題下要說的是，物理上聲音的強度與我們對音量大小的感覺是不完全相同的。例如修理摩托車的小弟跟住蘭嶼的原住民朋友在聽一首交響樂時，他們的感覺一定是大不相同。
時值與音長
一個樂音持續的時間稱為時值。當演奏樂器時，從強度是零升到一個穩態強度值所需的時間稱為增長時值，而由穩態強度降到另一強度所需的時間稱為減衰時值。我們敲鐘，聲音會延續一些時間；拉小提琴則必須持續拉推弓聲音才會繼續；吉他要讓樂音繼續，必須用輪指等手法。這些吹拉彈打的樂器因本身材質的特性，聲音延續或減衰特性都不同，也各自發展了不同的演奏技巧。
科學技術越進步，就越能掌握聲音的延續或中止。從早期用動植物的某部分做成的弦，到工業社會使用的工業用弦，到現今樂器專用弦，一條弦可以高至數千元，就是在改變它聲音的特性，包括音色、共振、聲音的延續等。
以上把音樂的特性，以物理及心理特性做了一些對照。心理特性還可再加上四個基本的聽覺感受：節奏感、音量感、和諧感、音質感。音樂是一種藝術，如果只是準確的音高、固定的強度、純粹的音、相同的節奏，則毫無藝術性可言。由於各人對音樂的感覺經驗，促使音樂在藝術上越離常軌，這種心理層面偏離的程度，促使音樂不斷地往更高境界發展。
著名的作曲家譚盾發表了《水樂》、《紙樂》等曲，把水與紙所發出的聲音做為音樂的主題；另有人用中國算盤做為協奏曲的主角，這些算不算是樂器？最近更有以人聲模仿各種樂器或生活中的聲音如汽車聲等，做為阿卡貝拉的伴奏，並登上了音樂的殿堂；在印尼聽起來很悲傷的音樂竟是喜慶時的音樂；日本人吹尺八時發出似噪音的氣聲；彈三味線撥子時的碰面板聲……種種技巧的呈現，促使我們開始思考，音樂只是由樂音所組成的嗎？
音樂是國際語言，「破銅爛鐵」精彩的演出能說不是樂器嗎？從史前時代先人模仿洞穴的回音，到模仿動物叫聲以自保，到揮舞嘩啷棒、吹奏海螺以嚇人或嚇鬼，以至神權封建時代，音樂一直扮演著不同的角色與功能。雖然今天音樂已經是一項主要的娛樂，但若能視其為科學、為文化，它是很值得繼續探討的。
