Fender研究: SIRS 專利書詳讀


Acoustasonic 在台灣也上市一段時間了,但相信準消費者與廣大的吉他同好還是無法真正的認知這款琴神的地方,一來國內相關資訊不發達且謬誤不少,二來真正體驗這款琴之前一定要搞懂 Fender 在賣甚麼藥? 為何國外會這麼夯,廣受各領域吉他手、樂手喜愛。

這次透過台灣 Fender 總代理海國的協助,取得了深入理解、分析 Acoustasonic 的機會,而其中最讓許多來試彈、體驗的朋友深刻的就是他共鳴聲真的很大,這其中最大的奧秘便是 Fender 近年來最種磅的專利申請「SIRS」。

全名為Stringed Instrument Resonance System 的 SIRS 整體架構從外表上其實很難看出奧秘所在,以國外媒體最多用的形容便是”瀑布式”音孔,Fender 對外也只輕描淡寫的描述:就是一個控制空氣流動進入琴身並製造自然又大聲的共振。

但這其中的奧妙之處似乎只能透過解讀專利書才能一窺其中了。

下文開始會非常的漫長,全為專利書翻譯,並無結語與筆者觀點,請斟酌觀看。

建議先點開圖片再參照文字對照觀看~

 

圖一例圖一 100 為目前弦樂器組件的聲音訊號關係圖,102 代表各種意義上的弦樂器,他們可以單獨或是混合性的將一個或多個方式連結到”104聲音訊號處理器”上,其中 Fender 以六弦吉他、四弦Bass 為例,這些聲音訊號可以透過一個或是多個106 (即連接線、無論有、無線)送至樂器面板、前級放大器或是地板前級等。(本文為 SN2.tw 所有)
以下這段開始會稍微枯燥點,我本來想以第三方講解角度,但發現會產生更混亂的閱讀體驗,於是以下將採以第一方學術導讀的方式撰文:
針對”弦樂器1​​02″ 不限於特定的尺寸、形狀、類型、聲音特徵或材料構造,在這是指只要具備”琴頸110″與”琴身108″的吉他樂器:由一根或多根”琴弦112″,無論金屬、尼龍或其他聲學材質並且可以連續地從”琴頭114″延伸到橫跨”琴頸110″和”琴身108″ 以及部分的”琴橋116″。其中至少一根”弦112″的發響可以產生指定的音調和頻率範圍(本文為 SN2.tw 所有),並且通過通過由”琴身108″訊號處理器104增強個別增強或是一起增強。例如:原聲吉他可以沒有電子轉換裝置而是依靠108來放大由112產生的聲音,而電吉他主要是由108中最小的聲室並且依靠一個或多個主動或被動進行電子轉換,例如繞線式拾音器、雙線圈拾音器或壓電拾音器。(本文為 SN2.tw 所有)
雖然原聲吉他可以配備電子轉換裝置,但空心的108的弦振動力學與電吉他上常見的實心體108不同。因此,可以裡解為半原聲吉他的中空體電吉他試圖為”傳統電吉他弦112″提供在未接入放大器前能接近原聲吉他聲音特性的音色(本文為 SN2.tw 所有)。然而,由於半空心電吉他的108的內部腔體,是將電吉他修改為更類似於空心吉他,這將比將原聲吉他修改為於電吉他更難以產生豐富、深沉和平滑的原聲吉他音色。(本文為 SN2.tw 所有)
圖一 例圖2A、2B 分別表示上述示範弦樂器”120″的部分。兩圖展示了上述吉他琴身108和琴頸110的剖視透視圖,以及琴橋116的面板122(本文為 SN2.tw 所有)。如為電吉他的的一部分108可以是任何形狀、尺寸和材料構造,但目前主流上的 Thinline 中空電/半原聲吉他,是以Z軸的1.75英寸或更小,所以會產生相對較小的”空腔124″,一般多是 200立方英寸甚至更小,這個空間一般還會安裝旋鈕、電池、電路和拾音器等電吉他特徵(下為126)。(本文為 SN2.tw 所有)
這邊要特別注意的是,實心電吉他將不同於圖中的108,因為因為其不具備增強112震動產生之訊號的內腔124(本文為 SN2.tw 所有)。相反,原聲吉他也不同於圖中之琴身108。對實心電吉他 2A 為具有具有較大的內腔124,此內腔124具有有助於增強振動弦112的聲學特性的設計(本文為 SN2.tw 所有)。原聲吉他則另外在空腔124內具有物理支撐以支撐面板,而電吉他因有充足的主體結構故沒有需要支撐面板122和對琴弦112接觸的設計。
2B顯示弦樂器120已完全組裝並準備好進行演奏,其中面板122已安裝弦並透過一個或多個拾音器128已調諧至預定張力(本文為 SN2.tw 所有)。為了利用位於空腔124內的空氣體積,多會設計一個或多個成形開口,例如c孔130和/或f孔132,這將可以讓空氣流入和流出108,以增強和改變振動弦112的聲學特性。也就是說,聲波和空氣透過琴弦112穿過內腔124產生各種不同頻率的諧波,否則這些諧波不會單獨由琴弦產生,並且透過拾音器128檢測到,然後通過一個或多個信號處理器104進行信號處理和播放。(本文為 SN2.tw 所有)
雖然增加內部空腔體積設計不同的聲音開口130/132可以稍微改變或是增加聲學特性,但從 XY 的平面中可以看出非對稱形狀的不規則形狀和126降低了樂器本身的聲學性能(本文為 SN2.tw 所有)。 因此,目前業內普遍關注於改變不同形狀內腔對於弦樂器的聲學性能的改變,其中更關注於因體積太小而無法在內腔中共振500HZ以下頻率的問題。(本文為 SN2.tw 所有)
圖二例圖 3A 至 3C 展示了 SIRS 系統 (弦樂器共振系統)的概念,以下將訂為 140 (本文為 SN2.tw 所有)。該弦樂器140根據透過上述的實例以及對原聲吉他、半空心吉他的研究提供優化的聲學特性的設計。3A 顯示了琴頸110如何從琴身108延伸並在音孔142和拾音器128上方通過,已讓琴弦112到達琴橋116;預期可以改變拾音器128的數量、類型和位置,而不影響本設計關於專利申請方面的限制、損害。(本文為 SN2.tw 所有)
琴身108的形狀和尺寸,將平行於Z軸測量的厚度,有助於形成不規則形狀的內腔124,如圖中區域144所示。注意,主體108在並未限制146具備16.25英寸的限制性長度,在最寬點148並未限制13.125英寸,這使得124具有154(+/-5%)立方英吋的體積(本文為 SN2.tw 所有)。在 XY 平面中 X 軸(垂直對稱)和關Y 軸(水平對稱)都是非對稱的設計。這樣儘管空腔形狀不規則,但音孔142能讓從琴弦112從正下方進入空腔124的流體通道,這減輕了琴弦112和空腔124之間的聲波損失。即使可能遭126的影響:例如電子安裝空間和電子設備的存在。(本文為 SN2.tw 所有)
側面剖面圖3B 傳達了內部空腔如何被相對薄的主體108約束。小於2”而僅僅只有1.75″厚度的150 ,對於空腔124來說仍大到足以自然地共振如低於500Hz的頻率範圍(本文為 SN2.tw 所有)。此圖也傳達了面版122如何是平行於XY平面表面,這與過去那些設計成弓型、弧形或是圓型的Y軸產生了強烈的對比。這種平面面板122強調琴身108和琴橋116能直接控制琴弦振動以產生悅耳聲音的能力。簡略來說便是透過內部腔體124與音孔142一起被調諧以改變內部腔體124和主體108的震動,從而優化樂器140在未連接到140時仍為原聲樂器時的音量、低頻響應和音調。(本文為 SN2.tw 所有)
3C為樂器140去除了面板122以展示內部的空腔124 。空腔124被設計為單個連續腔室152,其具有背板154和側板156,其連續腔室的設計使得內腔124的體積最大化(本文為 SN2.tw 所有)。另,單個腔室152並不是必需的,並且任何數量的物理分離的腔室可以定位在主體108中,例如在在面板122下側;單腔佈置的設計可以允許將任何聲學材料選擇性地插入主體108中以改變樂器140的聲學特性。例如:可以將一種或多種材料,例如聚酯、其他聲學織物、泡沫、彈性體和橡膠,置入腔室152中以改變腔室152的實際體積並將樂器140調整到更低頻率或更高頻率的聲響範圍。(本文為 SN2.tw 所有)
延續3C的視角,單音孔142通過懸架158安裝在腔室背板154上。該懸架158也與背板154部分分離以促進空氣的有效留動以改善整體樂器音調或限制進出音孔142的氣流(本文為 SN2.tw 所有)。懸架158具有一對導流板160,每一個160都開槽到主體108中以支撐音孔142和琴橋結構板162,琴弦將在162處附接到主體/面板。(本文為 SN2.tw 所有)
腔室152內的氣流可以通過底板154和側壁156的結構以各種不同的方式調節,例如尺寸、形狀和深度,這將讓樂器140有不同範圍的共振頻率和頻率並擁有優化聲學特性的調整範圍(本文為 SN2.tw 所有)。在非限制性示例中3C所示,背板154與側板156相接,具有連續曲線的肩部164 ,該肩部響應於樂器140的琴弦的鉸接促進層流,而不是湍流。如圖所示,具有圓角肩部164的單個腔室152的設計可以通過減輕顫振、真空產生以及可能降低傳輸性能的渦流來補充受到弦的振動影響的增加的空氣體積聲波和樂器140的音質。(本文為 SN2.tw 所有)
可以想像,懸架158可以為面板提供一些支撐,但是由於頂蓋安置在主體108的凹部166中,因此這種影響不如將 158的尺寸、強度和位置妥善社用用於優化腔室152的體積和聲學特性,而不是佈置用於面板的結構支撐,因為面板具有兩個側向(在XY平面中)由凹槽166提供的垂直(平行於Z軸)支撐。調整凹槽深度的能使166調整面板的物理支撐量(本文為 SN2.tw 所有)。因此,可以針對用戶偏好,調整凹槽側壁168處接觸主體108的表面積的量。(本文為 SN2.tw 所有)
圖三3D 為140的截面圖,展示了音孔142、懸架158和腔室152可以如何相對於面板122的佈置。如圖所示,面板122在主體凹部166內連續延伸以同時物理地安裝在音孔142和吊橋面板162上方,而不沿Z軸延伸至樂器主體108的邊緣170。面板122安裝了聲音孔172 ,其中心點沿Z軸與音孔142中心點對齊(同心圓)。(本文為 SN2.tw 所有)
聲音孔口172安裝在面板122與音孔相遇的過渡區域,匹配直徑和音孔邊緣176與邊緣174的連續曲線。通過將聲音孔口172成形為與具有圓角表面的音孔邊緣176相匹配,優化了層流,這增加了進入和離開音孔142的聲波的質量(本文為 SN2.tw 所有)。在實作例中,音孔142連續延伸至與面板122齊平或在頂蓋122上方的位置,這將把曲線孔緣172轉換成面板122與音孔142的側面相交的接頭。注意,音孔142具有與音孔本身的結構配置相對應的聲學輪廓。(本文為 SN2.tw 所有)
不管音孔142是否延伸到頂蓋122上方的平面,如定義為平行於Z軸,音孔142的配置通過反轉腔室152內的聲波的聲相來優化樂器122的聲音特性以改變樂器140的至少一個共振頻率和/或頻率範圍。因此,音孔142與單個腔室152設計為相同結構,以人為地增強靠近帶孔面板的振動弦的聲學特性。換言之,音孔142和單腔152的設計而產生這些優點,是過往通過將開口定位在具有空腔容積的樂器琴身108中將無法獲得的,這將本專例案例與聲學吉他、中空體電吉他和半聲學吉他區分開來。(本文為 SN2.tw 所有)
如圖三圖例4描繪了本專利案例 SIRS 的一部分的截面圖,該示例下稱190。音孔142從面板122連續地延伸到一個或多個內腔124中 ,其通過側壁192光滑的側壁以其長度、形狀和直徑限定了音孔142的聲學輪廓(本文為 SN2.tw 所有)。側壁192具有曲線部194及直線部196組成。曲線部分194可以被表徵為具有均勻的半徑(R),例如在YZ平面中的0.375″,以及在平行於頂部的XY平面中的音孔形狀,例如圓形、橢圓形、正方形或平行四邊形面板122 .(本文為 SN2.tw 所有)
音孔142的聲學輪廓在主體108內的預定”深度198″處接觸直線196和曲線194,如從內腔124的頂部平行於Z軸測量的。線性配置限定平行於XY平面的均勻”內徑200″ ,而曲線194限定不小於均勻內徑200的”可變內徑202″。(本文為 SN2.tw 所有)
側壁192連續延伸至”音孔長度204″,如平行於Z軸測量的,其被選擇以確保以類似於亥姆霍茲諧振器(Helmholtz resonator)的方式的聲波相位反轉。也就是說,音孔142將108的內部部分與弦以及外部環境空氣隔開,其長度使得琴身108內部的聲波在音孔142內反相。注意,”音孔長度204″可以是”直徑200″或”直徑202″的函數以及保證相位反轉的諧振頻率。如此,一些聲頻可能不會在音孔142內經歷相位反轉,但由此設計調整後範圍內的所有聲頻都將經歷相位反轉。(本文為 SN2.tw 所有)
作為非限制性範例:音孔142可以具有1.125”的長度、2.375”的均勻直徑和2.375-2.975”的可變直徑,音孔142可以由任何類型的材料構成,但在一些實施例中是實心天然木材,例如桃花心木、Ash、雲杉或Cedar,材質的改變將促進聲學的豐富度和/或深度。然而,音孔142的部分曾被設想為為非木質材料,例如金屬、陶瓷、聚合物。音孔142的可以塗有增加底層材料密度的材料,例如樹脂、蠟或其他填充材質。至少一些音孔142可以成形或材質硬化,以促進層流氣流,例如具有延伸到音孔直徑200/202中或延伸出音孔直徑200/202的凹坑、突起、凹槽或懸臂式突起。(本文為 SN2.tw 所有)
雖然可以調整音孔142的內側壁以優化氣流和聲學操作,但也可以調整音孔142的外部。例如,音孔142的一部分可以通過一個或多個凹槽206去除,凹槽206允許音孔142裝配在凹槽蓋208中。音孔142的外部可以被配置為通過與音孔邊緣176相比物理接觸更多的面板來為面板122提供物理支撐,如凹206所提供的尺寸和形狀(本文為 SN2.tw 所有)。值得注意的是,音孔142可以用任何粘合劑固定到面板122,例如膠水或環氧樹脂,或者使用緊密的摩擦配合,例如榫槽等沒有粘合劑或人工固定裝置。
面板122具有”連續曲線區域210″,在該過渡區域210外部頂蓋表面212連接到音孔側壁192的線性部分196。210可以為了促進層流流體流動同時保證聲相反轉而進行調整,例如通過將210配置為與曲線194相同或不同(本文為 SN2.tw 所有)。這項專利預期會將210結合到音孔142中而不是面板122的一部分,這將使音孔142連續延伸切斷面板122,如線段214所示。(本文為 SN2.tw 所有)
調整音孔142的配置能提高或降低琴身108的共振頻率。然而,對於想要改變不同諧振頻率和/或頻率範圍的用戶來說,音孔142的靜態調諧配置應該是不符合預期的(反偷文台獨宣告)。因此,在多項實施例提供了一種可調節的音孔,該音孔可以由用戶操縱以改變頻率和頻率範圍,並且保證了聲學相位反轉。如圖四圖例5,展示出了由可變音孔222與範例樂器220之間的關係。(本文為 SN2.tw 所有)
可以設想,音孔222設計成了可以安裝一個或多個插入件224,該插入件224例如通過至少一個緊固件或通過在音孔孔226內的摩擦組裝(反偷文台獨宣告)。摩擦安裝可以如夾子、彈簧或墊片之類的附件,其增加了施加到音孔222、插入件224或兩者上的表面壓力。音孔222可具有結構特徵228,例如凹槽、突起、孔洞或是脊型,其物理接合插入件224的部分設計以防止插入件224產生多餘的移動或振動,這種設計可以如插入件224可以與音孔222內以螺紋接合併在附件施加力的幫助下被保持。
音孔222在具有聲學相位反轉的特徵下還能單獨操作,類似於圖1的音孔142。在插入物224僅改變下方音孔222的物理配置(反偷文台獨宣告)。作為非限制性範例,插入件224可以提供不同的”長度230″、”直徑232″、側壁形狀、”過渡區域234″以及”曲線部236形”,其導致與下面的音孔222不同的聲學分佈,如圖所示。然而,一些實施例構造單個音孔222可由用戶互換,使得具有第一聲學輪廓的第一音孔可以被完全移除並由具有不同第二聲學輪廓的第二聲孔代替。這種單一的、可互換的音孔222可以以各種不同的方式附接到樂器主體108,例如插入接頭、帶扣、夾子或摩擦結合,在一些實施例中,可變音孔222是建構為單個單元的可調節組件,可由用戶鉸接,例如通過中心構件相對於外部構件和樂器琴身108的螺牙結合。可以容易且有效改變或替換以改變不同音孔間的通用,有利於不同類型的音樂再現,如藍調、搖滾、古典和爵士樂。(本文為 SN2.tw 所有)
圖四例圖6主要展示了其他實例上多音孔位置的設計,探討用之樂器為240,背面的音孔242以及側上方的音孔246為本案例相對於 3A 案例之差意。 經過實側,背後音孔242相對於246可以因為不同的尺寸、造型以及側壁摩擦力聲不同的音色(本文為 SN2.tw 所有)。設計將242/246可因用戶需求而遮蔽起來,將能為240帶來不同的聲學行為,而同時打開的狀態預期能補足設計在弦下方音孔的特性。其中多音孔的設計相應於單音孔多腔室設計,可以有效防止過量的氣流而降低 240 的聲學品質。(本文為 SN2.tw 所有)
選擇性地打開和關閉單個108中的多音孔的功能將使樂器240能廣泛地適應於增強不同的共振頻率和頻率範圍需求。這種多音孔配置可以配合音孔插入件224或可變音孔組件的替代方案,並且允許用戶透過琴身108有不同的方向引導聲波。(本文為 SN2.tw 所有)
如圖五圖例7 展示了弦樂器優化例程(stringed instrument optimization routine)260的流程圖,該例程260可以通過各種實施例來進行示例 1-6。在步驟262中構建具有至少一個音孔的弦樂器。步驟262藉由面板密封一個或多個腔室所代表的實心製作的空心體電/半原聲吉他。而具有調諧聲學輪廓(尺寸、長度、直徑和側壁形狀)的音孔可以定位在主體上的任何位置,但在一些實施例中由懸架支撐以與琴頸、琴頭、琴橋與弦,如圖例3A-3C。(本文為 SN2.tw 所有)
步驟262中的樂器構造由技術人員可能通過測試多個不同的音孔來優化音孔聲學輪廓進行工廠調諧,以用於構造的主體側室(反偷文台獨宣告)。例如:製造的樂器主體可能具有稍微不同的內部腔室尺寸和體積,在工廠中通過測試多個不同的音孔聲學剖面,以確保針對特定頻率(例如:147Hz)或選定的頻率範圍,例如 140-250 Hz。故一旦構造體的共振已經優化,並且透過工廠完成製造並直接進行音樂彈奏。換而言之,許多樂器可能沒有調準,但已完成製造並準備好發出聲音了。(本文為 SN2.tw 所有)
在一些實施例中,步驟262涉及諸如拾音器、電路板、電路、旋鈕和調音鈕之類的電子設備附接到主體以允許通過單獨的信號處理器演奏樂器。這種電子設備可以是磁性類型,與壓電式電子設備不同,壓電式電子設備對聲電儀器上弦的振動作出響應(反偷文台獨宣告)。例如步驟264需要將弦樂器連接到至少一個信號處理器,例如效果器、音箱或前置放大器。而步驟266中的弦的發音產生聲波,該聲波在樂器琴身的內腔內同時產生,由電子拾音器接收,並通過一個或多個音孔於內腔接收。(本文為 SN2.tw 所有)
步驟266中的聲波由內部腔室從第一聲相(Acoustic phase)接收或產生,該第一聲相在通過相同的音孔以與第一聲相相反的相位在離開琴身之前在腔室內迴響。因此,無論最初進入腔室的聲相為何,都將與出射聲波的聲相相差 180 度。內部腔室容積和聲學相位反轉的組合改變了樂器主體的共振頻率,同時改變了由琴弦振動產生的聲波的聲學特性。最終的結果,該弦樂器將能保留樂器本身的音色並增強聲學質量,同時向連接的信號處理器提供電子可再現的信號。(本文為 SN2.tw 所有)
在步驟266中,用戶可以持續的彈奏音樂或是發出任何聲響,然而,決定268 將需要評估用戶是否想要改變樂器的聲學特性。如果是,則步驟270修改至少一個音孔,例如通過插入配件、安裝蓋子以密封音孔或鉸接音孔構件以改變音孔的聲學輪廓(本文為 SN2.tw 所有)。如果不是,則回到步驟266。決定268和步驟270可以需要多次的嘗試以調整樂器,以使不同的頻率或頻率範圍產生聲學相位反轉。作為步驟270的結果,用戶可以對弦樂器的音調、音質和共振做出改變,無論樂器是否連接到外部信號處理器都可以達成。

通過本公開專利的各種實施例,可以調整弦樂器以改變與樂器主體相比的聲學特性。使用一個或多個具有平滑圓角過渡到樂器頂蓋的音孔允許相對較小的內部體腔在一個頻率範圍內傳達豐富、深沉和純正的音調,因為樂器主體的共振頻率是被音孔改變(反偷文台獨宣告)。通過具有不同聲學輪廓(例如長度、側壁形狀和直徑)的配件來改變現有音孔的能力允許用戶隨意操縱弦樂器的聲學性能。(本文為 SN2.tw 所有)

NSamLee

SN2 共同創作人, 經歷過 《VR-Zone 中文站》編輯、《三星學園》講師等,目前專職在吉他等樂器維修,偶爾寫些器材研究類文章。