Vowels and harmonics

最近對這個題目很有興趣,相信其實不少語言學家,以及一些音響工程師都已經分析過。但歌唱家以至作曲家,他們經常在應用,而且可能懂得善用,卻未必知道其背後科學原理。

為甚麼我們以 a, e, i, o, u 不同的元音唱歌,即使唱的是同一個音,音色會有差別?

當我們的嘴唇張大或縮小、伸長或縮短;舌頭放在前面或後面、上面或下面,它就好像一個 filter,把部份的頻率過慮掉。因此不同的元音包含的泛音(harmonics)的成份(formant)都有不同。因此即使我們以 u 和 a 唱同一個音的時候,基音(fundamental)應該是相同的,但泛音的比重卻不同了。

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/Sound/vowel.html

看看這個網頁的圖表。原來我們發 a 音(或者打呵欠)的時候,因為嘴唇張得最大,被過濾的頻率最少,從低頻到高頻的泛音都存在,因此聲音最飽滿。而發 i 音的時候,則過濾了部份頻率,因此聲音較薄。發 u 音的時候,高頻幾乎不見了。其實很多作曲家都懂得善用這些特性,在需要響亮的時候以 a 音來拖長音,但需要一些較薄、較暗的聲音時,會用 i, u 或者鼻音 m 來拖長音。也因此,人聲比任何一件樂器的音色變化都要多,因為同一件樂器來說,即使盡量改變音色,泛音的比例也不會相差太遠,唯有人聲幾乎每發一個不同的元音就有不同的泛音。

http://www.linguistics.ucla.edu/people/hayes/103/charts/VChart/#FormantMeasurements

而最影響我們辨認元音的,主要是 first 和 second formant。這個圖表顯示,即使我們同樣發 a 音,到底我們發聲的位置在較前或者較後的位置,formant 都會有所不同。這幾乎是每個合唱團訓練時常常遇到的問題,當大家對同一個元音的發聲位置略有不同,就沒法把聲音融和得好。故此,如果整個合唱團一齊唱一個和弦,大家便要統一發聲位置了。而唱 polyphonic 多線條的作品時候,不同聲部可能唱的是不同的元音,你在唱 i,我在唱 a,其實就像不同的樂器在發聲,但這恰恰就令我們的耳朶更清楚地聽到兩條不同的線條。

我們的耳朶並沒有能力同時分辨兩個人同時說話,但有能力同時分辨兩個或以上的音高。正如我們的眼睛可以同時看到眼前所有事物,但我們卻沒有能力同時閱讀兩行字。兩個人一起唱不同的歌詞,假如節奏也是一模一樣的話,我們是沒有辦法理解他們在唱甚麼字的,但 counterpoint 的要點在於大家不單是音高有異,節奏也有不同,你疏我密,你密我疏,又或者一前一後,因此我們卻可以清楚地感受到這是兩條不同的旋律,而且有機會聽得到兩組歌詞。單純以語言無法做到的事,音樂卻能夠幫助達成。

合唱團唱廣東話特別難以做到融和的聲音,除了因為廣東話特別多滑音之外,也特別多雙元音 diphthongs。好像「妖」字 (yiu),是從 i 音漸變到 u 音的。而我們很難統一整個合唱團從 i 漸變到 u 的步筏。

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有趣的是有一些作曲家和電子音樂人曾經嘗試反向的實驗。有一些軟件,能夠利用 EQ / filter 將人的聲音從 a 變成聽起來像 i 或者 u。也有作曲家試過一部人唱低音,而另一部份人輕聲地唱出泛音。明明唱的人全部是以同一個元音唱整首歌,但配上不同的泛音之後,結果聽起來竟然好像是不同的字。