文／簡麗賢　

聽音樂有很多好處，例如減緩壓力、提升睡眠品質。音樂會的樂器，不外乎弦樂器、管樂器和打擊樂器等，本文介紹一種非常特殊的樂器「海風琴（Sea Organ）」。為了解海風琴的創意設計，先認識樂器發出樂音的原理。

弦樂器如胡琴、吉他、小提琴；管樂器如梆笛、長笛、單簧管，能發出聲音，其中原理與物理學的「駐波」和共鳴有關。

什麼是駐波？拉琴時，兩端固定的弦受到擾動，形成弦波，弦上的入射波和反射波的波長及振幅相同，反向前進的兩弦波，在彈性弦上相遇，形成合成波。此合成波既不向左也向右傳播，而是在原地振盪，我們稱之為駐波，它亦是樂器發出聲音的原理。

駐波腹點 振幅最大



管樂器利用空氣柱形成駐波，管風琴內的空氣柱，皆有一系列的自然頻率，也正是形成穩定駐波的頻率。像小提琴兩端固定且長度一定的弦線，其駐波的頻率不只一種，所有駐波的頻率統一稱為諧音。振動頻率最低的音，稱為第一諧音，也稱為基本諧音或「基音」；若比基音的頻率還大，則這些較高頻率的諧音稱為「泛音」。第二諧音的頻率為基音頻率的2倍，稱為第一泛音；第三諧音的頻率為基音頻率的3倍，也稱為第二泛音；以此類推。

樂器發出的聲音通常由好幾個諧音以不同強度組合而成，諧音的相對強度不同，合成波的波形就不同，音色也不同。音調的高低由基音頻率決定，所以不同樂器雖然可發出相同頻率的聲音，但聽起來卻不一樣，就是因為波形不同而具有不同的音色，每一種樂器都有它獨特的音色。

長直空氣柱的管樂器，依駐波形成分為「開管」和「閉管」式兩種。兩端都是開口端的管樂器，例如長笛，空氣柱兩端為的氣壓與大氣壓力相同，氣壓變化小；形成駐波時，兩開口端都是空氣分子振動位移、幅度最大的地方，此處稱為駐波的「腹點」，形狀像大肚子模樣。

按放器孔 改變音調



發生共鳴的空氣柱管內，至少出現1個空氣分子振動位移為零，但氣壓變化最大的位置，則是駐波的節點，此處像繩子打結，波在此被綁住，無法振動。兩端開口的管樂器，手指按放氣孔，改變空氣柱長度，可以改變音調高低。

位於克羅埃西亞的札達爾市，有一著名海邊景點──海風琴，或稱為海浪管風琴。

海風琴公共藝術景點的設計靈感，來自於建築師聆聽海浪拍打岩石的聲音。海風琴沿岸有黑白相間代表琴鍵的石階外，最特別莫過於利用海浪推動空氣，在深埋於大理石堤岸中的塑膠管中，產生駐波而共鳴，並將聲音傳到頂層白色石階平面的小孔洞，使漫步的遊客感受海浪協奏曲。

以共鳴空氣柱的物理概念，設計成公共藝術景點，科學與藝術兼具的城市海風琴，創意十足，在2005年啟用後，翌年即榮獲歐洲城市公共空間獎，實至名歸。

共鳴空氣柱

利用已知頻率的音叉發出特定頻率的聲音，在空氣柱形成共鳴，探討共鳴現象與駐波的關係，如右上圖所示。

聲波向水面傳播，入射波遇到水面會反射，此時入射波與反射波會因相遇而干涉，形成駐波，產生共振現象，空氣柱就會發出最大的共鳴聲。這是管樂器發出共鳴聲音的概念。

空氣柱共鳴現象與駐波的特性有關。