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《振動噪音科普專欄》聲音信號的時頻圖分析與頻譜分析:竹製打擊樂器之聲音特性探討


前一個單元【聲音信號的時頻圖分析與頻譜分析:民俗童玩木製青蛙之聲音特性探討】,討論了甚麼是聲音信號?甚麼是時頻圖?甚麼是聽頻譜分析?介紹應用SM軟體http://aitanvh.blogspot.com/2017/10/sm.html?m=0,以STFT以及FFT處理分析時間域聲音信號,可分別得到時頻圖聲音頻譜圖,並且探討木製青蛙刮刷時的聲音頻率特徵

這個單元則是採用相似的分析方法,針對一組竹製打擊樂器竹管,量測每一根竹管的打擊聲音信號,並以短時傅立葉轉換STFT以及快速傅立葉轉換FFT處理分析時間域聲音信號,分別得到時頻圖聲音頻譜圖,進而可以解讀每一根竹管的基音頻率及其泛音頻率

左方圖示是有12根竹管的打擊樂器,每一根竹管的基本結構如左下方示意圖,取材是中空竹管外,一端是竹節封閉口,另一端是呈現半圓形的剖面管形開口。

首先,對C6的竹管進行打擊的聲音量測,得到C6竹管聲音的時間域波形,可以觀察時間很短,僅有0.1秒左右,呈現一種衰減型的信號,與實際聲音的聽感是對應的。

將此C6竹管聲音,以快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT)處理,可以取得如右上方圖示的C6竹管聲音頻譜,可以觀察的重點:

1.          基音頻率(fundamental frequency):頻譜圖中的第一個峰值頻率,接近1000Hz左右,是這個竹管的基音頻率(fundamental frequency),與【音階標準頻率C6=1046.5Hz相接近,所以,可判定此竹管是C6音階,就是Do
2.          泛音頻率(overtone frequency):如圖中標示,在2000300040005500Hz頻率附近,也都有呈現頻譜峰值響應,由於對應的聲音量值大,所以都會貢獻到人耳實際的聽感。除了基音頻率以外的聲音頻譜峰值頻率,都可界定為泛音頻率。可參考先前單元:【單一頻率與倍數頻率聲音的聽感差異?

對其他所有竹管,也都進行如圖示右方上部的聲音量測頻譜分析,可分別取得每一根竹管的基音頻率泛音頻率組成。其中,基音頻率,代表的就是該竹管的音階頻率。而,泛音頻率是影響竹管打擊聲音整體聽感的因素之一。

右下方圖示的時間域波型,是12個竹管的單獨敲擊聲音組成之時間域聲音信號,下方為對應的時頻圖,透過時頻圖分析,工程上,稱為短時傅立葉轉換(short time Fourier transform, STFT)分析,對時間域信號,作STFT處理,可以得到彩色圖示,即稱為時頻圖水平軸是對應的時間0~6sec垂直軸是頻率0~10000Hz色彩區的顏色代表音量,紅色表示有高的聲音量值。由時頻圖,可以觀察的重點:

1.          基音頻率(fundamental frequency):時頻圖中第一個峰值頻率,可以發現隨著不同的音階,由左到右,呈現遞增現象,因為,是由低音C6,逐漸到最高音G7。有興趣讀者可查閱先前單元:【音階標準頻率】。
2.          泛音頻率(overtone frequency):在時頻圖中,每一個獨立音階的聲音頻譜,也都可以明確辨別出來泛音頻率的特徵。

本單元介紹應用SM軟體,對一組具有12根竹管的打擊樂器,作聲音量測以及其打擊聲音的頻譜特性分析。以STFT以及FFT處理分析時間域聲音信號,分別得到時頻圖聲音頻譜圖,可以了解此竹管打擊樂器的聲音頻率特徵。希望對讀者在了解聲音信號的解析,有進一步的了解與體會!

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.10.09