野性的呼喚－淺談音樂中的嘈雜音色
跨學科的對話與整合是近年學術界的潮流之一，本文藉由探討音樂中的嘈雜音色，介紹了音樂聲學所可能涉及的不同領域，包括非線性物理、動物行為學、喉科醫學、物理治療學、戲劇表演、音樂美學、音樂社會學等。這篇文章也為自己從物理學轉行至音樂學，並跨足戲曲、醫學研究的歷程，提出一些可供參考的經驗。
音樂聲學(music acoustics)是聲學領域中最富藝術氣息的一個分支，它的研究範圍包括了樂器的物理原理及其聲響的分析或合成。音樂聲學具有不易捉摸、浪漫縹緲的特質，舉例而言，聲學中的噪音控制(noise control)旨在減低噪音與不必要的振動，目標清楚，但音樂聲學家在追求性能更佳的樂器時，卻常常連自己也說不清楚：什麼樣的音色是好聽的、什麼樣的振動是好的？
噪音雖然總是帶給聽眾不舒服的感覺，但音樂家並沒有完全抹除這些噪音。相反的，有些音樂家特別擅長使用嘈雜不純的音色，因此，音樂聲學裡面的噪音控制似乎也有著另一層積極的意義：隨心所欲地控制噪音、並在樂曲中巧妙使用。本文所要介紹的便是一些帶有雜質的嘈雜音色，以及它們在音樂中的運用。當樂器或歌手發出一個穩定、純淨的音時，頻譜上只會出現一系列的泛音，其頻率為音高f的整數倍。當聲音變成帶有沙音時，泛音之間會出現雜質。頻譜分析可以進一步區分這些雜質：對稱出現在泛音譜線兩側的稱為旁帶(sideband)、在相鄰泛音譜線間等距分佈者（頻率為f/n的整數倍, n = 2, 3, 4...）稱為次泛音(subharmonic)、在相鄰泛音間連續分佈的稱為噪音(noise) 。
在多采多姿的歌聲中，也有一些帶有各種雜質的沙稜音色。撇開喉部組織病變的情形不談，專業歌手的沙稜音色常常源於聲門上結構(supraglottal structures)的振動。嗓音的發生是由於肺部呼出空氣、聲帶靠攏，氣流通過聲帶間的狹縫（稱為聲門）導致聲帶振動。在喉部組織中，除了聲帶可以振動之外，聲帶上方的一些聲門上結構偶爾也會振動，在發聲時佔有一席之地。聲門上結構包括了一對假聲帶(ventricular folds; false vocal folds)與一對杓狀會厭軟骨皺褶(aryepiglottic folds)等。從生物演化的角度來看，聲門與聲門上結構原本可能都是阻擋食物或水進入氣管的關卡，但它們剛好也可以用來振動發聲，其中聲帶進一步演化為極有效率的發聲器官，在上皮與韌帶之間有個富含液體的空腔（稱為Reinke’s space），它讓聲帶更柔軟、振動更為容易。聲帶可以在骨骼肌的牽引之下改變張力、形狀與振動頻率，發出不同的音高。日常生活中的談話音高，成年男性約為120 Hz、女性約為220 Hz，而有些歌手的歌聲範圍可以拉大到70 -1200 Hz。聲門上結構在一般的發聲狀態中並不會振動，但在特殊的情形下，它們會向中央靠攏，當氣流通過其間的狹縫時，便會引起表面黏膜的振動，但聲門上結構裡面沒有骨骼肌，因此無法隨心所欲地改變它的彈性。
在發出吼叫式的嗓音時，聲帶與聲門上結構可以同時振動，但兩者的振動頻率卻不一樣。若聲門上結構的振動頻率遠比聲帶振動頻率低，它僅有調幅的作用，故頻譜上會出現旁帶。若聲門上結構與聲帶的振動產生了相位鎖定(phase locking)，頻率比為1:2、2:3、1:3、1:4…等，頻譜上會出現次泛音。若喉部組織產生了不規則的振動，嗓音中會帶有豐富的噪音，適合用混沌理論來分析。第一篇有關混沌嗓音的科學論文，便是針對新生兒哭叫聲的研究[1]。
在爵士樂壇中，有不少歌手以沙質嗓音唱出韻味醇厚的歌曲，而搖滾音樂、重金屬音樂的表現益趨激烈，用到更多的嘶吼。京劇的架子花臉，也常常會發出嘈雜的炸音[2]。一項研究發現，在搖滾樂歌手的吼音唱法中，聲帶以480 Hz的頻率振動，聲門上構造的黏膜以160 Hz的頻率振動[3]。由於兩者的振動頻率比為3:1，因此，這兩個振動系統之間可能有較強的耦合。該研究也發現，發出吼音時，聲門上結構也可以有非週期性的振動，所以此類嗓音中也有噪音。搖滾音樂歌手的吼音所傳達的是較為激動的情緒，無獨有偶的，電吉他也可以發出“憤怒”的音色（稱為distortion），這種聲音的特徵也是豐富的噪音。
在管類樂器的演奏中，也有一些使用嘈雜音色的手法。薩克斯風與巴烏等單簧樂器，都可以吹奏出富含次泛音的音色，聲音“幽咽而帶有磁性”（圖一）。在笛類樂器中，僅中國笛與韓國的大笒（taegum，一種低音大笛）容易吹奏出富含次泛音的音色，因為這兩種笛子的管壁上都有一個膜孔，上面貼著非線性的笛膜（它大約可以視為Duffing oscillator），能賦予高頻次泛音較強的能量[4]。
學過小提琴的人都知道，在擦弦類樂器上奏出嘈雜音色十分容易，這是因為弓毛與琴弦之間有非線性的摩擦[5]。然而，這類音色在西方藝術音樂中卻沒有被有系統地運用，其原因之一可能是以右手技法（控制弓壓、弓速）來產生嘈雜音色，不容易達到隨心所欲的境界。在京劇胡琴的演奏技法中，嘈雜音色的產生是由左手的按弦所控制的，這種特殊的音色雖然略嫌刺耳，但卻有個浪漫的名字：開花音。開花音是以雜亂的振動、撕裂的音質，綻放出燦爛的光輝。京胡的開花音又稱嘎音、虎音、泛音、人工噪音，在伴奏唱腔時具有豐富音色、渲染情緒的作用，其奏法是讓左手手指放鬆、輕觸琴弦，同時右手用力拉出音頭，如此便能奏出像虎吼般的噪音，此時振動的琴弦會不停地與左手手指碰撞。從物理的角度來看，開花音的演奏原理跟印度的一些撥絃樂器有關，這些樂器的琴絃在振動時會不停地撞到一根象牙條上，因此該絃的振動具有非線性的邊界條件，這也是西塔琴(sitar)、坦布拉(tanpura)音色幻化無端的主要原因[6]。
圖一：次泛音的頻譜圖。最常見的次泛音產生於相鄰泛音的中間，頻率為 (2n+1) f /2（f為基頻，n = 0, 1, 2...）。由於低頻的次泛音很弱，它們並不會使音高降低八度，但高頻的次泛音卻強到可以讓音色變得沙稜不純。(a)人聲。(b)薩克斯風音。
不管是搖滾歌手、電吉他、京胡，它們所發出的吼叫般音色都傳達了激烈的情緒，而嗓音沙稜的男性，也總是給人逞勇好鬥的刻板印象。人類的吼聲似乎有著淵遠流長的演化史，可以視為動物本能的殘留。要瞭解動物吼聲的意涵，一個值得特別注意的例子是赤鹿(red deer)。雄性赤鹿在低吼的同時，喉部的位置會下降，從頸部降到胸口的位置。科學家猜測，下降喉部可以拉長聲道，而拉長聲道的目的可能是為了誇大自己的體型[7]。統計顯示，聲道的長度與體型大小成正相關，動物似乎也懂得從叫聲中去估計發聲者的體型大小，因此，在低吼時拉長聲道，可讓對手誤以為碰到龐然大物，達到不戰而勝的效果。假如動物的吼聲真的是為了傳遞有關體型大小的訊息，則吼聲的頻譜特徵便可以得到充份的解釋。與純淨的嗓音比較起來，有雜質的嗓音更能反映出聲道共鳴的細節，相反的，當人或動物發出一個偏高的純淨聲音時，因為泛音之間的頻率間隔較大，聲道的共鳴細節從頻譜上不容易看出，反倒是低音或帶有豐富雜質的吼聲可以反映出聲道共鳴的細節，從而以聲音的頻譜估計出聲道的長度。要發出帶有豐富雜質的聲音有很多方法，其中一個簡單的辦法就是在呼氣時收緊聲門上構造，讓該處的黏膜振動。
攻擊時的吼聲也可以在人類的網球、跆拳道等運動項目中觀察得到，不過，即使在沒有攻擊對象的運動項目（如舉重、擲鉛球）裡面，吼聲也時有所聞。由此可見，人類的吼聲並不只用在攻擊，而是跟肌肉的使力有密切的關係。在醫學上，關閉聲門、收緊聲門上結構、腹肌用力造成腹壓增加的憋氣方式稱為Valsalva maneuver。人類在舉重、擲物時發出的吼聲，可能只是Valsalva maneuver的副產品，它真正的功用是召喚腹肌，以維持身體的穩定。由於人類是雙足站立的動物，所以在揮動拳腳時越是用力、軀幹就越容易不穩，單靠脊椎難以維持軀幹的穩定，因此，要動用腹肌的力量來將脊椎作進一步的固定。物理治療學中已有不少研究證實，身體在準備受力時，收縮腹肌對於穩定脊椎有很大的幫助[8]。
嘈雜聲音雖然源自動物的野性，但人類在音樂中運用時卻有多種變化，在社會溝通中能夠傳達強烈、複雜的情感。這方面的研究涉及了非線性物理、動物行為學、喉科醫學、物理治療學、戲劇表演、音樂美學、音樂社會學等，音樂聲學的跨領域本質，在此歷歷可見。
蔡振家 臺大音樂學研究所助理教授 E-mail: tsaichengia@ntu.edu.tw
參考文獻
[1] Mende, W., Herzel, H., and Wermke, K. (1990). Bifurcations and chaos in newborn infant cries. Physics Letters A 145:418-424.
[2] 蔡振家(2005)〈表演者的混沌嗓音－吼音的跨領域探討〉，《戲劇學刊》2:39-62 (http://homepage.ntu.edu.tw/~gim/gia/pub/growl.html)
[3] Zangger Borch, D., Sundberg, J., Lindestad, P.A., and Thalén, M. (2003). Vocal fold vibration and voice source aperiodicity in phonatorily distorted singing. Speech, Music and Hearing, KTH, Stockholm , Sweden TMH-Quarterly Progress and Status Report, KTH, vol. 45:87-91.
[4] 蔡振家、Auhagen, W. (2005). 〈中國笛的音準、音域與音色：笛膜的Duffing振子模型〉， 傳統樂器學術研討會 (http://homepage.ntu.edu.tw/~gim/gia/pub/dizi6.pdf)
[5] Müller, G., and Lauterborn, W. (1996). The bowed string as a nonlinear dynamical system. Acustica 82(4):657-664.
[6] Valette, C. (1995). The mechanics of vibrating strings. In: Mechanics of Musical Instruments (edited by A. Hirschberg, J. Kergomard and G. Weinreich), Springer-Verlag, p.115-184.
[7] Fitch, W.T., Neubauer, J., and Herzel, H. (2002). Calls out of chaos: the adaptive significance of nonlinear phenomena in mammalian vocal production. Animal Behaviour 63:407-418.
[8] Granata, K.P., Orishimo, K.F., and Sanford, A.H. (2001). Trunk muscle coactivation in preparation for sudden load. Journal of Electromyography and Kinesiology 11:247-254.
留言列表
