Re: [閒聊] 影響鍵盤聲音的主因?

感謝kai950415分享的Keybored YT影片，因為自己看這種影片時會習慣作下筆記，所以整理完就順便丟上來了。

影片中純粹敘述各種常見材質、設計與改造等對敲擊鍵盤時聲音的影響，每個人對於鍵盤聲音的喜好也有所不同，沒有任何對每個人都完美的鍵盤聲音。

以下只是我一個非理科出身的人對這部影片的理解，若有翻譯或學術用語不精確的問題，請見諒。

統整自：https://youtu.be/G8DRJc7Q0BY

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●首先，先來了解所謂Clack與Thock的聲音震波為何。
https://imgur.com/DhpuTvE
高頻率震波(Clack)傳播速度快、波長短、穿透力低；
低頻率震波(Thock)傳播速度慢、波長長、穿透力高。
一般人類的耳朵對1000~4000Hz的聲音最敏感。
補充：傳播速度這邊有點爭議，聲波在同一介質中傳播的速度無關頻率、應該是不變的，也許這裡指的是介質中粒子的震盪速度？頻率愈高、一定時間內震盪距離愈大？

●以介質來分鍵盤聲音的種類：
1. Air-borne 空氣傳播的震動
https://imgur.com/zokUZX7
理論上會比Structure-borne sound「先聽到」的聲音，直接透過空氣傳播。
．軸體音：按下鍵軸引發觸動時，軸體本身的軸柱與軸殼撞擊產生的震動，當然也有彈簧本身的摩擦聲。這是最主要的空氣傳播震動來源。
．空腔音：軸體的震動透過固體傳到鍵盤內沒有塞滿的空間內來回震盪後傳出來的震動聲。2. Structure-borne 固體結構傳播的震動
https://imgur.com/o1Od71w
每個震動會傳播到的固體介質，只要傳播過去的能量足夠引起該介質震動，就會使該介質以自己的「自然頻率／特徵頻率」震動，之後再透過空氣傳播至人耳。(嚴格說來，軸體自己撞擊的聲音也應該算是固體音吧？)
力量從軸體按下，經過定位板、PCB、外殼引起各介質震動，因此震動周遭空氣，再傳播至人耳。

●外殼、定位板與PCB的材料：
這裡影響最大的，是各個材質的兩大特徵：質量與剛度。
．質量：
F=MA，因此在打字力道(F)不變的情況下，固體介質的質量(M)愈大、加速度(A)愈小。這就是為何許多好的客製化鍵盤外殼重量都不輕的原因，質量大就代表引起的震動小，產生的聲音自然小。
https://imgur.com/9gQ0KSa
當然，這裡實際上傳播到外殼的力道也與設計結構(Mounting Style)有關，等下會在結構設計中提到。
．剛度：
P=kδ，P是力，k是剛度，δ是形變量。
A×Y=kL，A是截面積，Y是楊式模量(形變難易度)，L是該元素的長度。
這道理和吉他一樣，愈粗的弦由於質量高、自然頻率愈低，但弦調得愈緊、剛度愈高，產生的聲音頻率也愈高。
一般來說，PCB的材質要更改較困難，因此這裡我們會把重點放在定位板上。
https://imgur.com/YHbO6GF
常見的定位板材質中，從形變最難到最容易為：
鋼 > 碳纖維 > 銅 > 鋁 > FR4玻璃纖維 > POM塑鋼 > PC，
愈難形變產生的聲音頻率愈高。當然這是在「質量相同」的情況下，因此接下來在固定體積的情況下，將透過各材質密度換算出質量、再與剛度一起綜合比較。
https://imgur.com/gK9TKCm
你看，這邊結果就和上面單純只看形變容易度完全不同了，在同樣的體積下，定位板的比剛度(Specific Stiffness)排序為：
碳纖維 > 鋼 > 鋁 > 銅 > FR4玻璃纖維 > POM塑鋼 > PC。
排序變動如此之大的主要原因是材質重量，同體積下碳纖維太輕、銅太重是主要原因。
注意這些因素尚需與其他要素綜合考量，不是碳纖維板就一定高頻音、PC板就一定是悶悶的低音。

●結構設計：
．PCB與外殼的獨立性：
使用Gasket或影片中提到的"妖怪貓Gummy O-Ring Mount”結構的鍵盤，會有更多「軸體、定位板、PCB」的聲音，傳到外殼的力道減少，聲音會更乾淨、更clacky。此時外殼重量的重要性就相對低，大多與外殼相關的聲音會轉為直接透過空氣傳播的空腔音。
https://imgur.com/cG6rW6e
．開放式／封閉式外殼：
封閉式(沒開洞)的鍵盤，就像鼓一樣會把聲音集中困在鍵盤內部，以音響來說就是bass音較重，會強調中、低音；開放式(有開洞)的鍵盤，比較沒有悶聲但還是會有比較小的bass音，能清楚聽到鍵盤內部的聲音，通常低頻音較不明顯。
．有無開槽的PCB：
有些PCB有開槽(也許是為了Q彈手感？)，這會使透過空氣傳播的聲音(Air-borne sound)增加，產生的聲波會更高頻、清脆。
．稀疏波(Air compression and rarefaction on opposite side)：
以音響為例，若是拿掉音箱、只剩下將電流轉換為震動的揚聲器，產生的聲音會變得非常小，因為當揚聲器壓縮其正前方的空氣產生聲波時，也造成其後方空氣的密度變低、產生吸力，兩方抵銷後聲音自然變小。這也是為何音響總是得接著一個封閉箱子、使其中一邊空氣的收縮受限才能大聲的原因。
現在把PCB想像成揚聲器，若PCB兩面都接觸空氣，就能透過稀疏波原理讓震動時兩面的聲波相互抵銷。透過這個方式抵銷的聲波多是低頻音。

●Modding：
以上部分為鍵盤套鍵本身常見的聲音影響因素，接下來討論常見的「鍵盤改造 Mod」。
．PE塑膠泡棉：
根據菲律賓San Carlos大學研究團隊，PE泡棉會反射400~1000Hz與1600~2000Hz的震波，吸收1000~1600Hz的震波。
https://imgur.com/PcJw734
https://imgur.com/KVJLg14
https://imgur.com/33GEFDN
總的來說，PE泡棉會吸收人耳所聽到的「中階音(500~2000Hz)」中部分震波，更強調鍵盤震動中的低音。
．消音棉(Wedge Foam)：
https://imgur.com/91ba5kI
這邊的消音棉指的是「低密度、中間有空洞的軟材料」，有空洞的材料容易讓聲音穿透，主要是針對透過空氣傳播的震動(Air-borne sound)。期間透過摩擦將部分震波轉換成熱能，愈厚、密度愈高的泡棉能濾除愈低的聲音頻率。
https://imgur.com/S9ti9Lh
圖表中能看到，1000Hz以上的聲波，基本上用上2英吋的消音棉就很夠了，而頻率低的音波由於穿透力強，需要更多消音棉才能吸收。
．實心填料：
這邊指的是「高密度、中間沒有空洞的軟材料」，例如矽膠、軟墊、丁基橡膠(Butyl Rubber，好像是絕緣橡膠？)，這樣的材料能讓震動不容易穿透，可以直接吸收震波、讓外殼等材料較不容易以自然頻率震動。主要是針對透過固體介質傳播的震動(Structure-borne sound)。

因此，若是你的鍵盤敲起來很空洞、像在打低沉的鼓，就用低密度的消音棉；若是敲起來很清脆、像在打鐵，就用高密度的實心填料。沒有任何一個材料能適用所有狀況，因此應該先聽現有的聲音、決定想要減少的聲音頻率再作應變。
如果不知道哪種材料是低密度、哪種是高密度，對著材料吹氣，若能感覺到吹出的氣被擋回來，那就是高密度材料。

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這裡補充幾個我自己有看到的mod，aka DIY調教方式，可以用於調整聲量、頻率用。

●軸底鑽洞mod (有把軸弄壞的風險)
https://youtu.be/ahShvBMoMWk?t=213
簡單說就是把個別軸體由「封閉式」轉為「開放式」，影片中聽起來聲音頻率、聲壓級(分貝)皆有所降低。
但老實說，最好還是不要自己鑽...誰知道會鑽壞或鑽裂什麼。

●O-Ring mod (閹割版Gasket)
https://youtu.be/BAih24YcsIY?t=540
把O-Ring套在鍵盤套件的各個支撐點上，如PCB與外殼之間、PCB與定位板之間等，直接減少力道的傳導，觸感應該也能更Q彈。
注意別弄太厚或栓太緊，否則鍵盤可能疊不回去或擠爆O-Ring。

●各種膠帶mod
一般來說都是貼在PCB板的後方，用意是反彈、吸收PCB的震動，減少空腔音與外殼震動。個人覺得基本上就是矽膠墊的簡易版本，能使用「正規材質」當然最好，不過考慮到價格、運費、取得容易性、兼容性等，tape mod有時有不小的優勢。
這邊要特別注意的是，膠帶本身「絕對要絕緣」，短路了就好玩了，光是要檢查哪些線該換就是大工程。

．紙膠帶 (就是鉛筆寫得上去的那種)
https://imgur.com/N1U33sn
很受歡迎的mod方式，加上相對於其他膠帶黏性較低，維修時移除方便；個人認為算是中、低密度材料，也就是濾除尖銳高頻音的部分。國外很多人形容這個方式會使聲音變poppy。老實說imo聽起來差異沒那麼大，也許是貼不夠多層？
有不少人用過密度更低的膠帶—如醫療用的透氣繃帶—做實驗，但同樣厚度下效果都沒有紙膠帶好。

．雙面泡棉膠帶
https://imgur.com/sBoSyyC
中、低密度材料，有點厚，基本上可以當作nerf版的消音棉，能濾除尖銳高頻音與減少空腔音。注意價格有點貴…貼完一個鍵盤，大概會花掉整捆。

．含有聚乙烯的膠帶，如：
Scotch膠帶 (書店常見的那個有點貴的膠帶)：
https://imgur.com/N9n81Ik
最大好處和紙膠帶一樣，因為有做過特殊處理(詳細的不清楚，但Scotch tape由4層物質組成，其中一層是release agent，讓膠帶撕下後不會留下殘膠)，維修時移除方便；高密度材料，能吸收與反射震波、讓其他材料不容易以自然頻率震動，能更乾淨、更純粹的聽到軸體、定位板(如果有)、PCB的聲音。

包裝用膠帶 (透明的那種，沒顏色的)：
https://imgur.com/fbraaVv
因為黏性較高，之後移除會比較不方便，但因為厚度較薄，有時比較方便調整厚度。基本上和Scotch tape差不多，高密度材料、能吸收震波，聲音更乾淨。

防水布膠帶 (Duct Tape)：
https://imgur.com/10A9wez
相對於上面的幾種聚乙烯膠帶，Duct Tape會更直接的把震波反射回來，吸收的震波較少，聲音乾淨的同時，有時反而會讓整把鍵盤聽起來更吵，就像是在PCB下面多加了一層塑膠殼一樣。

聲音比較：https://youtu.be/uClHfz3FaP8?t=1198

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總之，如果要把鍵盤當樂器的話，先想想自己喜歡高頻還是低頻音，挑選相對應的材質、設計，真的拿到手了敲下去還是不爽，再來想想能夠怎麼改，才能濾掉自己不喜歡的聲音頻率。

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老實說我是直接翻，我覺得這邊可能有點誤解(不是指翻譯上的)

V=λf，頻率f愈高、波長λ愈低，同一個介質中，聲波的波速V應該是一樣的， 但若以介質中個別粒子震盪時的移動速度來看，的確是頻率愈高、一定時間內移動距離愈大、震盪速度愈快； 或是影片中是指聲波在不同介質間轉換的波速？這方面我就不太懂了，我只是個對理科比較有興趣的文組...