真有一手-手笛声音密码

1、真有一手-.手笛聲音密碼摘 要手笛是我們可隨地演奏的樂器之一，透過研究找出影響手笛吹奏的變因有手、嘴、吹氣等三項變因。利用Audacity免費聲音分析軟體分析音頻與音譜，並與陶笛發音性質進行比較，得到的主要結果如下：一、手笛的進氣與出氣孔的組合較少，能發出的音階較少，僅 G5、A5、F6等三種基本音階。二、手笛要有密閉的音室，避免漏氣產生。三、手笛吹氣細縫開口要小。四、吹氣角度和位置要控制好，才能夠吹奏出聲音。手笛吹奏的變化性較陶笛少，除了用力吹與拇指細縫控制在2mm可以使得發出聲音的頻率升高2個音階。以及先含冰塊再吹氣、喝熱水、手沾濕或沾沐浴乳的方式會使得發出聲音的頻率升高1個音階之外，其餘

2、變因所發出的聲音頻率仍落在同一個音階範圍內。當手笛吹不成音時利用分析軟體均顯示不規則的波形。關鍵詞：手笛、音頻、吹奏研究動機聽著表演台上演奏出優美的陶笛樂音，台下聽眾無不讚嘆演奏者真有一手，每個人也情不自禁地隨著節奏拍手伴奏。突然間弟弟自然而然地將雙手微握，嘴巴對著空拳吹氣，竟然可以跟上陶笛樂曲吹奏起來，我也模仿著雙手握空拳吹氣，可是卻無法發出聲音。弟弟果然真有一手，可以將手當成樂器來演奏。我們在網路上也找到一些手笛的資料和吹奏的技巧，可是雖然照著技巧做，還是沒有辦法一下子就成功。我們很好奇手笛是如何能發出樂音？我們跟老師討論之後，老師建議我們進行有系統性的研究，利用科學的方法來將陶笛和手笛的

3、聲音解碼，分析手笛和陶笛所發出聲音的異同，以作為日後研究其他聲音密碼的基礎。研究目的探討陶笛發出聲音的原理探討手笛發出聲音的原理利用Audacity聲音分析軟體分析陶笛和手笛所發出的基本音階比較陶笛和手笛所發單音的異同找出影響手笛發聲的變因歸納出手笛吹奏的技巧研究設備及器材陶笛吹風機沐浴乳聲音分析軟體Audacity線鋸冰塊熱水高感度麥克風牙膏冰枕暖暖包筆記型電腦研究過程或方法探討陶笛發出聲音的原理利用課餘時間到圖書館或書局，找尋有關陶笛和手笛發聲的原理說明，也上網去搜尋相關的資料。紀錄陶笛外部構造及發音的變化。利用線鋸將塑膠陶笛切割開來，觀察陶笛內部的構造。利用水流模擬氣流進入陶笛音室的情況

4、，並紀錄水流的流動變化。探討手笛發出聲音的原理將網路上所搜尋到的手笛演奏方法，與我們自己能夠吹奏出手笛的方法拍下照片。與陶笛的吹奏方法進行分析比對，歸納出手笛的演奏技巧。利用聲音分析軟體Audacity分析陶笛和手笛所發出的基本音階利用筆記型電腦接上高感度麥克風錄下陶笛的基本音階。每一個基本音階都錄五次，再利用Audacity免費軟體分析陶笛基本音階的頻率 和頻譜。將五次的分析結果求平均數，以降低實驗誤差。將手笛的所發出的音階錄下來，每一個手笛的音階都錄五次。利用Audacity免費軟體分析手笛低、中、高等音階的頻率和頻譜。將五次的分析結果求平均數，以降低實驗誤差。將陶笛與手笛頻率和頻譜的分析

5、結果做系統性的交叉比對，找出其相同處或相異處。影響手笛發聲的變因利用手的外緣沾沐浴乳檢驗手笛氣體向外流動的情形，紀錄產生大泡泡的地方。測量吹氣口的兩支大拇指間細縫開口的長度，將細縫長度以底端為基準點三等 分，並做記號。吹奏時嘴型的中心點對準做記號處，吹氣嘴型、雙手合抱姿勢保持不變，紀錄是否能吹奏出聲音。改變細縫高1/3處的寬度，依次為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm，吹氣嘴型、雙手合抱姿勢保持不變，紀錄是否能吹奏出聲音。依次改變嘴型為嘟嘴吹管樂吹嘴的形狀、微笑的一字型、及唱歌時的開口形狀，吹氣位置維持在細縫高1/3處、細縫寬度為1mm、吹氣嘴型、雙手合抱姿勢保持不變，紀錄是否能吹奏出聲音

6、。改變合抱處手指的姿勢，紀錄是否能吹奏出聲音及音階。依次改變雙手大拇指產生裂縫的姿勢；大拇指指背水平、外翻、內翻，其餘條 件不變，紀錄是否能吹奏出聲音。由上述的實驗過程和方法中，歸納出手笛吹奏快速的入門方法。研究結果陶笛發聲的秘密陶笛的起源陶笛(Ocarina)，有人稱之為洋壎，是一種閉管式的樂器，與長笛、木笛這類的開管樂器不同。所謂閉管樂器，是指樂器除了指孔以外，其他地方是封閉的，不像長笛或中國笛一樣，是從頭通到尾的開管樂器。不過它們的發聲方式都是屬於空氣磨擦樂器的一個稜邊，而發出聲音的。因為陶笛大部分是使用陶土所做成，所以才有陶笛的通稱。陶笛的各部分構造名稱詳如圖1和圖2。 圖1塑膠陶笛的

7、正面圖2塑膠陶笛的背面陶笛的發聲原理當氣流從嘴巴吹向笛唇時，基於流體力學的原理，會因為空氣的擠壓吸放，造成音室的內外空氣壓力不平衡，因而產生空氣氣流的振動。當振動頻率達每秒261次時，就可以聽到C4調的聲音；當振動頻率達每秒440次時，就可以聽到A4調的聲音（如表2）。我們從網路資料（參考資料、六）查到音階與頻率的對照表（如表1），其中，C3表示從鋼琴最低音開始數往上的第三個Do，以此類推。 表1：音調與音高頻率對照表 單位：Hz音調名C3D3E3F3G3A3B3頻率130.81146.83164.81174.61196.00220.00246.94音調名C4D4E4F4G4A4B4頻率261

8、.6293.67329.63349.23392.00440.00493.88音調名C5D5E5F5G5A5B5頻率523.25587.33659.26698.46783.99880.00987.77音調名C6D6E6F6G6A6B6頻率1046.51174.71318.51396.91568.01760.01975.5音調名C7D7E7F7G7A7B7頻率2093.02349.32637.02793.83136.03520.03951.1音調名C8頻率4186.0觀察陶笛的內部構造原本我們使用陶製的陶笛，後來因為想要將陶笛切割開來看看陶笛內部的構 造，為了避免切割時的危險，後來我們改用塑膠陶笛

9、，以方便切割觀察。為了觀察陶笛內部的構造，我們利用線踞將塑膠陶笛切割開來（圖3），觀察並 記錄其剖面構造（圖4）。圖3切割塑膠陶笛圖4塑膠陶笛的剖面圖手笛發聲的秘密為了研究手笛為什麼能夠發出聲音，我們從網路上觀看許多手笛演奏的影片，也將我們自己吹奏手笛的姿勢用相機拍攝下來分析。包括手握的姿勢和形狀、吹氣的位置和角度、吹氣的大小力，整理出手笛能夠發出聲音的秘密如下：要有密閉的空間我們分析後發現，影響手笛能否發出聲音的第一個要素是手指間會不會漏氣。透過手沾沐浴乳的漏氣實驗證明：如果手指間會漏氣，則吹不出聲音；反之，手指間密合，則可以順利吹出聲音（圖5和圖6）。因此手笛和陶笛一樣，也需要一個密閉的空

10、間才能發出聲音，除了吹氣口和音孔之外，音室的空間是密閉的，因此手笛也屬於閉管樂器的一種。圖5手指間會漏氣的吹不出聲音圖6手指間密合可以順利吹出聲音氣孔開口的大小我們分析手笛吹奏時手握的姿勢發現，兩手拇指間所留的吹氣孔不能夠太大，氣孔太大則無法吹出聲音。比較陶笛的剖面圖（圖4）也發現，陶笛的笛唇進氣口也是呈現狹長的通道。進氣口面積較小，氣流的壓力會較大，內外的空氣壓力差較大，空氣的振動也較為明顯，因此能發出聲音。圖7拇指間留的吹氣孔不能太大圖8陶笛進氣口吹氣的位置和角度經過實驗之後發現，手笛吹奏的位置要在兩手拇指的根部，並用上下嘴唇含住拇指根部關節，較容易發出聲音（圖9）。但是如果是嘴唇含在拇指

11、第一節吹奏（圖10），比較不順手，則較不容易吹奏出聲音。而吹氣的角度也要經過調整，才比較容易吹奏出聲音，最佳的吹氣角度是（如圖11和圖12）進氣口靠近自己且出氣口在外側。圖9手笛吹奏位置圖10不容易發出聲音的吹奏位置圖11手笛進氣方向圖12手笛出氣方向手笛與陶笛發聲原理的比較手笛和陶笛一樣都屬於閉管樂器，但是陶笛很容易吹奏出聲音，手笛卻需要經過適當的練習才容易吹奏出聲音。到底手笛和陶笛有什麼相同和不同的地方？我們將手笛與陶笛作詳細的分析後比較發現，當手笛的吹奏時手握的姿勢和吹氣的位置、方向和陶笛相似時，則較容易吹奏出手笛的聲音。（如圖13、圖14）圖13手笛的正面圖14手笛的背面表2：陶笛與手

12、笛發聲原理的分析比較表項 目陶 笛手 笛笛 唇1.笛唇形狀圓而突出，容易用嘴巴 含住吹奏。2.進氣量集中。3.進氣口狹長，空氣壓力差大、空 氣容易振動發聲。1.笛唇形狀扁而平，不容易含住吹奏。2.容易產生漏氣的情形。3.進氣量不穩定。4.笛唇與陶笛相同，進氣孔必須細長。歌 口1.歌口的位置與笛唇的相對位置固 定。2.造形可以依據陶笛的設計而改 變。1.歌口的產生必須用上嘴唇將拇指的氣 孔隔成上、下兩部分而產生。2.下為笛唇、上為歌口。3.歌口形狀與位置都不固定，發聲較不 容易。音 室1.音室空間的大小固定，內部構造 表面平滑。2.除了音孔開口之外，不會漏氣。1.音室空間的大小會隨著手握的形狀和

13、 姿勢而改變。2.音室內部表面較為粗糙。3.如果手指沒有密合，容易產生音室漏氣 的情形。音 孔1.音孔開口的大小及開孔數固定。2.可依據需要，設計不同的開孔。3.本實驗的塑膠陶笛開孔數為正面 4孔、背面2孔。4.陶笛的音高可以用手按音孔的多 寡而改變，一般而言：按孔多、 聲音低，按孔少、聲音高。1.手笛的音孔是由手握的形狀和姿勢來 改變。2.音孔只有一個開口，開孔大小由外側 的手指所控制。3.一般而言，開孔大、聲音高；開孔小、聲音低。分析陶笛和手笛的聲音錄製並分析陶笛的基本單音要分析陶笛所發出的聲音，必須要透過一些錄製與分析聲音的儀器設備，如示波器、分貝器等，可是家裡或學校並沒有這些充足的儀器

14、設備。於是我們查閱了歷屆科展的作品，也上網搜尋了相關的資源，最後決定利用分析聲音的免費軟體Audacity來作為我們這一次分析陶笛與手笛所發出的聲音的工具。圖15吹奏陶笛的基本音階圖16用筆記型電腦錄下的陶笛基本音階圖17 Audacity描繪陶笛Do的頻譜圖18 Audacity描繪陶笛Re的頻譜圖19 Audacity描繪陶笛Mi的頻譜圖20 Audacity描繪陶笛Fa的頻譜圖21 Audacity描繪陶笛Sol的頻譜圖22 Audacity描繪陶笛La的頻譜圖23 Audacity描繪陶笛Si的頻譜圖24 Audacity描繪陶笛高音Do的頻譜表3 ：以Audacity分析陶笛基本單音

15、音調與音高頻率的分析表 單位：Hz單音次數DoReMiFaSolLaSi高音Do第一次10791187131614081592177919252074第二次10761213131814201590176719532042第三次10611208130614051591177319492023第四次10731200130913991590176019582039第五次10601190131013981579178419512075平均1069.81199.61311.814061588.41772.61947.22050.6音調名C6D6E6F6G6A6B6C7圖25 以Audacity分析結果繪

16、製陶笛基本單音音調與頻率的關係圖錄製並分析手笛的基本單音由於手笛並沒有像陶笛一樣有基本單音的按孔指法，所以無法吹奏出和陶笛一樣多變化的音階，只能夠吹出簡單的低、中、高等三種音階。圖26吹奏手笛的基本音階圖27用筆記型電腦錄下的手笛基本音階圖28 Audacity描繪手笛音階1的頻譜圖29 Audacity描繪手笛音階2的頻譜圖30 Audacity描繪手笛音階3的頻譜採用Audacity所描繪分析頻譜的峰值作為每一次實驗的頻率測量數據，將每個音階五次的測量分析結果求平均值。並利用表1音調與音高頻率對照表，找到手笛基本單音相對應的音調。表4：手笛基本單音音調與音高頻率的記錄分析表 單位：Hz單音

17、次數123第一次7438971419第二次7649251335第三次7549041346第四次7418991320第五次7469031379平均749.6905.61359.8音調名G5A5F6圖31手笛基本單音音調與頻率的關係圖比較陶笛和手笛所發出聲音的異同陶笛和手笛基本音階之比較將陶笛與手笛的基本音階與頻率列表（表5），並畫出關係圖（圖32）如下：表5：陶笛與手笛基本單音音調對照表 單位：Hz 音調G5A5C6D6E6F6G6A6B6C7陶笛1069.81199.61311.814061588.41772.61947.22050.6手笛749.6905.61359.8圖32陶笛與手笛基本單

18、音頻率關係圖陶笛和手笛音階之相同處從表5和圖32的分析發現，陶笛與手笛都可以改變音階的高低，其中陶笛與手笛都可以吹出音調F6的音階。從手笛的分析頻率來看，理論上，手笛應該也可以吹奏出音調C6、D6、E6的音階來。陶笛和手笛音階之相異處塑膠陶笛所發出的音階呈現有規律的變化，手笛則呈現不規則的變化。另外，手笛所發出的聲音較低，塑膠陶笛所發出的聲音較高。影響手笛發聲的變因影響手笛發聲的變因，可以從手、嘴、吹氣等三個方向來思考操縱變因。在本研究中，將從手的性質、嘴巴與吹氣的變化來分析手笛與發聲的關係。以下將從手的乾濕、手的姿勢、手掌的溫度、吹氣的位置、吹氣的力量大小等各項因素的改變，測量手笛是否能吹奏

19、出聲音，成功吹奏出聲音註記，不成功則註記，並算出吹奏成功率（如表6）。並將手笛的聲音利用筆記型電腦接上高感度麥克風，將相同的音階各錄五次下來，再利用Audacity免費軟體分析此基本音階的頻率和頻譜，將五次的頻率分析數據求平均，並利用表1音調與音高頻率對照表，找到手笛基本單音相對應的音調（如表7）。表6：手笛吹奏成功率測量變 因12345成功率對照組100用力合抱100用力吹100喝冰水後吹100喝熱水後吹100吹細縫1/3處0吹細縫2/3處0手指交叉合抱100右手手指在上80手沾濕100手沾沐浴乳100手沾牙膏100手戴塑膠手套0雙手先握冰枕100雙手先握暖暖包100吹口細縫寬1mm100吹

20、口細縫寬2mm100吹口細縫寬3mm0吹口細縫寬4mm0吹口細縫寬5mm0嘴型為嘟嘴80微笑的一字型20唱歌時的開口形狀0大拇指指背水平0大拇指指背外翻0大拇指指背內翻0圖34 雙手交叉合抱圖35 吹細縫2/3處圖36 改變手的上下位置 （右手手指在上）表7：手笛基本單音音高頻率分析表 單位：Hz次數變因第一次第二次第三次第四次第五次平均音調名對照組786780793791790788G5用力合抱769809798789783789.6G5用力吹957975948950869939.8B5喝冰水後吹867884831877811854A5喝熱水後吹881977898893833896.4A5手

21、指交叉合抱821810838826796818.2G5右手手指在上10461059101210571043.5C6手沾濕895889886897901893.6A5手沾沐浴乳847868865876875866.2A5手沾牙膏814806801801852814.8G5雙手先握冰枕814836795792805808.4G5雙手先握暖暖包766749781808774775.6G5吹口細縫寬1mm818821794801852817.2G5吹口細縫寬2mm906991949961940949.4B5嘴型為嘟嘴848803787811812.25G5圖33改變手笛的吹奏變因之基本單音頻率圖其中吹

22、不出來的聲音，以Audacity分析其波形發現，音色呈現不規則狀態，如圖3848。如果呈現此不規則變化的音色波形，在本研究中則不分析其頻率音階。圖38 大拇指指背內翻的波形呈現不規則狀圖39 大拇指指背水平的波形呈現不規則狀圖40 大拇指指背外翻的波形呈現不規則狀圖41 唱歌時的開口形狀的波形呈現不規則狀圖42微笑的一字型嘴型的波形呈現不規則狀圖43 拇指笛唇細縫3mm的波形呈現不規則狀圖44 拇指笛唇細縫4mm的波形呈現不規則狀圖45 拇指笛唇細縫5mm的波形呈現不規則狀圖46吹拇指細縫三分之一處的波形呈現不規則狀圖47吹拇指細縫三分之二處的波形呈現不規則狀圖48雙手戴塑膠手套的波形呈現不規

23、則狀從上面的結果發現，除了用力吹與拇指細縫控制在2mm可以使得發出聲音的頻率升高2個音階變成B5。以及先含冰塊再吹氣、喝熱水、手沾濕或沾沐浴乳的方式會使得發出聲音的頻率升高1個音階變成A5之外，其餘變因所發出的聲音頻率仍落在G5音階範圍內。當手笛吹不成音時利用分析軟體均顯示不規則的波形。手笛吹奏的技巧我們分析網路上一些手笛的演奏技巧的影片，並將自己吹奏手笛的照片拍下來分析比對後，發現一些手笛吹奏的相關技巧。以下就以自己所習慣的以右手在上、左手在下為例來說明：將雙手的四指併攏，然後將雙手疊在一起。圖49 雙手交疊雙手緊握避免漏氣，再將大拇指分別疊在右手食指的第一、二節上。圖50 雙手大拇指的位置

24、嘴唇含住大拇指根部的關節，注意要密合。圖51 嘴唇放置的位置調整正確的吹氣和出氣的方向。圖52 進、出氣方向要改變音高，可將大拇指往下壓以改變音室的大小，或是將疊在外面的左手四根手指頭慢慢放開，使音孔大小改變。圖53 利用手指的開合改變音孔大小討論實驗時所遭遇到的問題與改進的方法為了觀察陶笛的內部構造，我們選用了塑膠陶笛，以方便用線鋸將陶笛切開成剖面圖觀察。原本想要利用吹風機送出氣體吹奏以固定氣用量大小，或是藉由改變吹風機的冷暖風，以控制氣體的溫度。但是一則因為吹風機無法與陶笛或手笛的笛唇密合，二則因為吹風機在運轉時會產生馬達噪音，已經嚴重的干擾到錄製的聲音效果因而作罷。在做陶笛氣流實驗時，為

25、了觀察透明的空氣在陶笛內，由笛唇到音室的流動情形，我們想到了利用水的流動來代替空氣的流動，以驗證我們的想法。在手笛的漏氣實驗中，為了要找出漏氣的指縫位置，我們利用了沐浴乳或是將牙膏塗抹在指縫，就可以檢查出漏氣的位置所在。實驗數據結果之討論手笛和陶笛一樣都是屬於閉管樂器，利用笛唇將快速加壓的氣流吹入音室中，再利用音孔的大小及位置的閉合，來改變聲音的音調。當我們看到陶笛的剖面圖，我們猜測吹氣的氣流會被歌口切割成兩道氣流（如圖54），但是如果吹氣的氣流被切割成兩道氣流的話，就不會像研究結果（二） 陶笛的發聲原理所查到的資料所顯示，空氣氣流會因為流體力學原理的壓力差而產生空氣振動的情形。因此我們為了驗

26、證研究結果（二） 陶笛的發聲原理陶笛的發聲原理，用水流模擬氣流進入陶笛音室的情況，看看氣流是否會被切割成兩道？實驗結果發現，水流並不會被切割成兩道，而是順著音室內壁進入音室內（如圖55），因此歌口內空氣流速快、壓力小，歌口外空氣壓力較大，會向歌口內壓縮，而產生空氣振動的情形，也驗證了研究結果（二） 陶笛的發聲原理陶笛的發聲原理。如果音室越大，需要更多的空氣吸入音室，增加空氣加壓的時間，所以氣流擺動的頻率會變慢，音調就會下降。如果音孔加大，會因外面的氣壓而加快加壓過程，所以加快氣流擺動的頻率，而提高音調，同時音量也會變大。如果音室不變，歌口加大，會讓音室內空氣的吸放過程加快，頻率增加，而音調上升

27、。圖54假設猜測：吹氣氣流被切割開來圖55利用水流模擬氣流進入音室在不改變手笛的變因下，手笛所能發出的音階較少，發出的音調比塑膠陶笛為低。以本研究為例，手笛可以發出G5、A5、F6等三種基本音階。實驗結果與理論差異性之討論從手笛所發出聲音的頻率分析看，理論上手笛應該可以發出G5、A5、B5、C6、D6、E6、F6等七種不同的音階，但事實上手笛的發聲並沒有辦法像陶笛般，有較為精準的發聲規則，因此手笛並沒有辦法細分為那麼多的音階。經本研究的實驗發現，手笛的吹奏會因為手沾水，沾沐浴乳、沾牙膏等溶液，而變得比較能夠吹得出聲音。推論原因可能是這些水溶液將手指的漏氣處補滿的關係。改變吹奏的音高時，陶笛是調整音孔的數量。按的音孔較少，則聲音高；按的音孔較多時，發出聲音的頻率較低。手笛則不是改變音孔數量的多寡，而是控制音孔的大小來改變不同的音調。結論根據本研究結果之建議事項：不容易吹奏手笛發出聲音時，可以將手掌浸濕，避免手