风琴管属于所谓的自持乐器家族,它们能把持续性能量(气流)通过一个反馈回路转换成快速振荡的能量(声学振动)。可以说,风琴管是直流交流转换器。

风琴管的物理魔法

反馈回路包含一个激励器和一个共振器。

激励器将连续能量转换为振荡能量。对于笛舌管,气流撞击唇口产生声学振动。对于簧管,簧片因气流上游的影响而震动,创建了声学振动。

共振器是管子内的气柱。它过滤、积累并将振荡能量恢复至激励器和外部世界。

笛舌管的物理

笛舌管的声音产生是由气流和气柱的声学振动之间的相互作用导致的。气流是通过打开管子的阀门时上游压力诱导的。

当气流撞到管子的唇口时,它从唇口的两侧注入流动。这种流动注入作为一个声学压力源出现在管口附近。管子被声学能量充满,这能够通过管身传播。管子过滤掉它偏好的频率附近的振动:共振频率。
当管内建立起声学振动时,它调制了气流的传播:来自通道出口的一个小声学扰动传播并沿着气流增长。再次撞击唇口时,流的注入实际上被较早在气流生成时发生的声学振动所调制。这就形成了闭环反馈。

随着声音波借助管子向外传播,一小部分能量从管口和管尾散发出去。这就是我们所听到的声音。

换句话说,笛舌管的物理学类似于音频反馈,或是拉尔森效应,其中喷气/唇口相互作用相当于扬声器(产出声音),管身则像是麦克风(储存声学振动)。

管形如何影响声音

管子像一个蓄能器,它在自己偏好的频率上存储并归还能量。这些被称作共振频率。管子也能在其他频率上储能,但效率较差。管子存储给定频率的能量的能力称为导纳:导纳越强,存储和返回的能量越多。

管的比例—直径与长度的比—对共振频率和导纳有显著影响。狭长的管比宽管有更尖锐、更接近的共振频率。狭长管的共振频率比宽管更接近声音的谐波。狭长管比宽管提供更为丰富的声音。

上游压力如何影响声音

笛舌管是一个锁相系统。声音产生是气流(激励器)和管体(共振器)间平衡的结果。提高上游压力时,气流速度也随之增加。为了保持系统平衡,管内声波的传播也会相应调整,以符合管身所允许的模式。在笛舌管的情况下,增加上游压力会使声音的频率和强度增加。此外,谐波间相对能量的分布也会改变,进而影响音色。

对于颤音装置的影响

颤音装置是一个机械装置,它调制气流,从而调节管子的上游压力。有许多类型的颤音装置。这里是一个基础的示意图:

如前一节所述,降低或增加上游压力会影响声音的音高、强度和谱内容。当上游压力周期性地调制时,这三个声音方面(音高、强度、音色)也随之调制。

在基于样本的风琴插件中,通过后效滤波来模仿上述调制。在Organteq中,上游压力调制直接作为模型的输入。音高、强度和音色的变化由模型本身产生。

本文译自 Modartt,由 BALI 编辑发布。

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