大四音樂聲學：電吉他基本聲學特性分析

課程名稱：音樂聲學

電吉他基本聲學特性分析

電吉他源起

 電吉他的發展起自於對於大音量的需求。在早期Jazz的Big Band使用吉他這個樂器時，由於吉他的音量與其它樂器無法比擬，所以出現了能夠產生更大音量的吉他的需求。要獲得大音量，一個直接的辦法就是用麥克風收音，再經由擴大機(amplifier)和揚聲器(speaker)將音量擴大。但由於吉他本身有一個體積不小的音箱，在擴大的時候很容易與從揚聲器出來的聲音共鳴，而產生令人困擾的回授(feedback)效應，因此單獨使用麥克風似乎不能完全解決這個問題。利用電子方式將音量擴大這個方向是不錯，而琴身音箱與擴大機共鳴的現象經由縮小音箱的方式似乎可以改善，可是縮小音箱的同時音量也縮小了，而麥克風的收音也同時變的更加困難，因此發展出不同的拾音器(pickup)是電吉他發展的關鍵。

電吉他型制

先比較一下木吉他與電吉他的差異。底下兩張圖片分別是基本的木吉他與電吉他。

   

 木吉他由琴頭、琴頸、琴身組成，琴頭的旋鈕可調整弦的鬆緊，按著琴頸上的琴格再彈奏會得到不同的音高，而琴身是一個大的共鳴箱。電吉他在琴頭、琴頸的部分與木吉他差異不大，但琴身是實心的，沒有共鳴的效果，而且琴身上多了拾音器、搖桿(Vibrato Arm)、音量旋鈕(Volume Control)、音色旋鈕(Tone control)和輸出埠(Output Jack)等裝置。

實心琴身的效應

 電吉他與木吉他很大的差別在於，電吉他的琴身是實心的，也因此通常電吉他雖然電積比較小，但是重量卻比木吉他還要重。

木吉他在弦振動的同時，振動的能量會經由面板傳到整個音箱，而使得音箱的正面板;、背面板、側面板和裡面的空氣一起振動，這些振動形塑了木吉他的音色。而電吉他由於琴身是實心的，所以弦的振動不容易帶動琴身的振動，因此弦的振動能量傳到琴身上的部分較少，使得電吉他具有較長的延音。另外實心琴身也減少了像木吉他將音量擴大放出後與音箱造成的Feedback效果。

拾音器原理

 大部分電吉他使用的是運用電磁感應原理的拾音器，其它比較特殊的還有利用壓電效應原理和以光電元件製成的拾音器。

  

 電磁感應拾音器的運作原理如上圖。線圈繞在永久磁鐵旁，永久磁鐵建立起線圈中磁場；當在磁場範圍內的弦振動的時候，磁場受到擾動，這使得通過線圈的磁場有所變化，而線圈中的磁場的變化將在線圈上感應出電動勢，使得導線上出現了反映琴弦振動的電信號；再經由放大器將此信號放大，經由揚聲器將此放大的信號放出，則得到了電吉他所發出的聲音。

 

實際的拾音器設計，通常每條弦的下方都會搭配一個磁鐵，而吉他大部分是六條弦，所以有六個磁鐵，然後在這些磁鐵的周圍繞上線圈，通常會有幾千匝。弦與拾音器的距離也是可以調整的，愈靠近，感應的信號愈大，但磁場所消耗的振動能量也愈多，反之亦然。另外還有一種雙線圈(Hambacker)的設計，這樣的設計可以利用差模(differencial mode)的方式，將室內電源的60Hz交流電產生的電磁場在線圈上的效果以相減的方式去除。

 

上面介紹的電磁感應都是被動式的，拾音器本身不需額外的供電。還有一種主動式的拾音器是利用電池供電，在琴身內置放大電路與濾波器，具有輸出功率大、延音長、雜訊低的特色，但其音色主要由電路決定，其它因素造成的音色變化就幾乎失效了。

 拾音器的位置

 電吉他發展的過程中，拾音器的數量從一開始的一組，後來變成兩組，直到現在兩組或三組拾音器的電吉他都可以在樂器行裡看到。每一組拾器音可以是單線圈，也可以是雙線圈，分別裝在琴頸(neck)與琴橋(bridge)之間的不同位置。拾音器基本上接收到的是其正上方部分的弦的擾動，不同位置收到的弦振動略有不同。基於不同倍數的泛音在弦上形式的駐波有不同的分布方式，靠近琴頸的拾音器會收到較多的低頻信號，而靠近琴橋的拾音器高頻信號較為顯著。

  

 上圖是不同位置的拾音器所收到的音，可以看到靠近琴橋的確高頻成分較多。另外由拾音器位置與駐波的圖來看，如果拾音器恰好位於某駐波的波節，將會收不到該駐波的信號。以一把二十四琴格的琴為例，對於靠近琴頸的拾音器，按著第十五格彈奏，拾音器恰好位於震動弦長二分之一的位置，因此2, 4, 6, 8...倍的泛音將會衰弱；而按著第八格彈奏，拾音器恰好在振動弦全長的三分之一處，因此3, 6, 9...倍的泛音會相對的較衰弱。不單是在那一格，附近的琴格都有類似的現象。當只有偶數倍泛音時，會有比較空靈的感覺，有些樂手在吉他獨奏時特別喜歡在15格左右彈奏，可能是基於這個理由。

 

搖桿

 搖桿可以直接帶動琴橋，做出大範圍的移動，使得音高做大幅度的變化。一般又分為小搖桿座或大搖桿座，前者只能將音壓低，後者除了壓低之外也可以拉高。小搖桿座的琴橋是靠在面板上的，彈簧只負責在壓下搖桿後將琴橋拉回到貼在面板的情況；而大搖桿座的琴橋是由弦和琴身內置的彈簧來維持一個平衡狀態，搖座是懸浮著的，因此在調音上會比較費工夫，牽一髮而動全身。

搖桿原本的名稱是Tremolo Arm，但是Tremolo是指音量大小的振盪，而搖捍實際上的效果是音高的振盪Vibrato，因此也有人叫它Vibrato Arm的。意義上後者是比較正確的。

   

一般而言，使用搖桿時對每一條弦的音高造成的變化並不一致，所以通常做為在單音演奏時的一種技巧。在和弦上使用通常是做為一種效果。

 音色旋鈕

 電吉他上的旋鈕有音量旋鈕和音色旋鈕，音量旋鈕單純就是調整音量，而音色旋鈕是控制一個低通濾波器(Low-pass Filter，將超過頻寬的高頻成分濾除)的頻寬，頻寬愈小則高頻衰減愈多，反之亦然。

 

在電吉他的效果器中，有一種很類似的效果叫哇哇器(Wah-wah Pedal)。不過它並不是低通濾波，而是一個可以改變中心頻率的帶通濾波器(Band-pass Flter，將中心頻率與頻寬以外的高頻和低頻成分濾除)。

 

同音推弦

 推弦是將按弦的手指往與弦垂直的方向，將弦往旁邊推，使音變高。同音推弦是在不同弦上彈出兩個相差一個全音的音，再將較低的那一個音往上推一個全音，使兩個音最後變得一樣。這是在搖滾樂的演奏上常常使用的一個技巧。當兩個頻率相近的正弦波疊加時會產生Beating的效果，在做同音推弦時也有同樣的效果。當兩個音愈來愈相近時，Beating就愈來愈快。但是在剛開始推的時候，Beating還不顯著，倒是出現了許多的雜音。

 

 

破音

 一般人對電吉他的印象應該是破音的音色。早期的破音來自壞掉的音箱造成的意外效果，甚至有人是因為買不起好的音箱而得將功率小的音箱音量開得很大所導致的破音。後來這種音色逐漸蔚為風潮，除了有人會故意把喇叭單體剌破來獲得破音的音色之外，製造音箱的公司也開始在產品中加入利用信號過度增益造成信號失真的破音效果。在吉他效果器出現之後，破音效果器由於其便利性，可在同一個音箱上運用不同的破音效果，也變得相當普及。

電子方式達到的破音一般而言是將信號增益到超過動態範圍(dynamic range)，導致信號輸入輸出不再是線性關係，結果得到了一種嘈雜的音色。底下分別是從時域和頻域來看不同程度的破音反映出來是什麼樣子的信號。當破音愈多，信號被截去的部分愈像是方波，高頻的成分愈來愈多，非泛音列上的噪音成分也愈來愈顯著。

 

 

在重金屬(Heavy Metal)音樂中，吉他常常會將頻率大約在1300Hz左右的部分給壓抑下來，突顯低頻和高頻的部分，這會使音色上得到一種冷冽的效果。

 

 小結

 以上對電吉他本身的一些特性做了大致的探討。電吉他發展的濫觴，就在於拾音技術的開發。在現代的電吉他演奏中，由於大量的效果器使用，電吉他這個樂器愈來愈不像是弦鳴樂器，而比較像是一種電鳴樂器。當聲音轉換成電訊號之後，再加上一些類比與數位信號的轉換以及訊號處理的技巧，讓電吉他在音色上有了非常豐富的不同可能性。不過這篇報告還是從電吉他本身為主，雖然也有稍微帶到一些效果器的事，比如有提到哇哇器，但如果要深入探討各種常用的效果，對這篇報告可能太過於瑣碎了。底下附上一個電吉他、效果器與音箱連接的範例示意圖。中間那些效果器基本上就是不同的信號處理過程，最後出來的結果與原先電吉他的聲音可能已經差了十萬八千里了。但是電吉他本身的聲音是這些過程的源頭，後面的過程是基於前面的信號所做的反應，因此電吉他本身的特性對於最後的音色仍然扮演著很重要的角色。

 

References：

Neville H. Fletcher, Thomas D Rossing. 《The Physics of Musical Instruments》Springer Verlag - 1998
Wikipedia：” Electric Guitar”、” Pickup”、” Piezoelectricity”...etc http://www.wikipedia.org/
The Music Guidebook : ”His of the electric guitar” http://www.musicguidebook.com/
Hyperphysics : ”Electric Guitars” http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html
Building a recording studio.com http://www.build-a-recording-studio.com/