《振動噪音科普專欄》人們唱歌的聲音,有甚麼樣的頻譜特徵呢?


由先前單元:【聲音有甚麼特徵?】,探討一個聲音,主要有三大特徵

1.      音調(pitch):聲音的頻率。
2.      響度(loudness):聲音的大小。
3.      音色(timbre):聲音的頻率組成。

這個單元就以這三個特徵的角度,來探討人聲唱歌的聲音之頻譜特徵。

首先,請讀者觀看影片,可以聽到作者唱音階Do的聲音,由於錄製聲音的裝置,有效頻寬到7,000Hz,以下的分析,就針對此Do的聲音」作頻譜的特徵探討。

本單元對聲音的頻譜特徵分析,係採用屏科大機械系振動噪音實驗室開發的【SM軟體】,進行「頻譜分析」以及「時頻分析」,參閱0~7,000Hz的圖示,說明如下:

1.          時間域波形圖:在圖示上方,呈現所分析聲音WAVE檔案的原始「時間域波形」信號。代表的物理意義是「聲音壓力(sound pressure)。此信號呈現「波動」的隨機信號特性,實際上,觀察不出甚麼現像。
2.          時間域聲音響度圖:在圖示下方,呈現隨時間變化的「聲音振幅大小(dB),此「聲音振幅」的物理意義是「聲音壓力位準(sound pressure level)。此信號呈現2dB的些微波動。
3.          聲音頻譜圖:在圖示左方,呈現聲音WAVE信號的「聲音頻譜」,圖示的垂直軸為頻率,單位:Hz,水平軸是聲音的振幅大小,單位:dB。可以觀察0~7,000Hz的頻率範圍之頻譜分佈特徵。
4.          時頻圖:在圖示正中央,水平軸是對應「時間域波形」的時間(sec),垂直軸是頻率(Hz),彩色的分布圖示為聲音振幅大小(dB)。可以觀察隨時間變動時,聲音頻譜的分布狀態與趨勢。

放大圖示來看,主要的高貢獻度頻帶,約在0~1,000Hz以及2,500~3,000Hz,其中,0~1,000Hz的聲音振幅又明顯高了約30dB,為了深入觀察主要的高貢獻度頻帶,SM軟體可以選擇頻率區間做局部放大的解析,參閱0~5,000Hz的圖示,說明如下:

1.      聲音頻譜圖」、「時頻圖」可以明顯看出有「簡諧倍頻」的特徵。
2.      由「時間域聲音響度圖」,與0~7,000Hz圖示,相互比較,「響度」曲線圖,不僅趨勢相同、量值也一致。隱含的意義,0~5,000Hz頻帶對「響度」的貢獻度,和0~7,000Hz頻帶對「響度」的貢獻度是相同的。也就是5,000Hz以上的頻帶,對於「響度」貢獻小,這可以從「頻譜圖」看出來,確實5,000~7,000Hz頻帶的聲音振幅,相較下小很多,超過40dB的差異。

再進一步放大頻寬分析,參閱0~1,200Hz的圖示,觀察及討論如下:

1.      基音頻率(fundamental frequency):由頻譜圖」可看到第一個峰值頻率是130.8Hz,此頻率值和【音階標準頻率C3=130.81Hz,是相符合的,也就是這個「Do的聲音」的音準是正確的。
2.      泛音頻率(overtone frequencies):由頻譜圖」及「時頻圖」可以明顯看出,有「簡諧倍頻音」的存在,這些「倍頻音」就是「泛音頻率」,而每一個「倍頻音」的「泛音頻率」對應的聲音振幅大小不同,其中,以「基音頻率」的振幅最大。
3.      人聲的「音色」(timbre):是由頻率的組成所影響,「頻率組成」包括「基音頻率」和「泛音頻率」,以及各頻率對應的「聲音振幅」,每個人的聲音其「音色」的「頻率組成」不同,所以可以辨識出不同人的聲音。
4.      頻帶對「響度」的貢獻度:此「Do的聲音」在3個不同頻帶的解析可發現,時間域「響度」曲線幾乎相同,所以可推論,0~1,200Hz頻帶主導了對「響度」的貢獻度。

如前述,觀察一個聲音的特徵,包括:(1)音調」就是「基音頻率」。(2) 響度」是聲音的大小聲。(3)音色」是「基音頻率」和「泛音頻率」的聲音頻率組成。

另外,觀察聲音的其他特徵,可從「時間域」以及「頻率域」來看,分別都有「波動」及「衰減」的現象,針對此「Do的聲音」觀察討論如下:

1.      「時間域」的「波動」及「衰減」:從「聲音壓力時間域波形信號」以及「時間域聲音響度」曲線,都可以觀察到「波動」及「衰減」的現象。
2.      「頻率域」的「波動」及「衰減」:從「聲音頻譜」及「時頻圖」,也可以觀察到「波動」及「衰減」的現象,藉由聆聽聲音以及對應圖示的解析,來觀察與體會此物理現象及物理意義。

這個「Do的聲音」,透過以上的解析,可以綜合如下:

1.      音準(pitch):此聲音的「基音頻率」恰為C3的【音階標準頻率】,「音準」是正確的。
2.      響度(loudness):此聲音的大小聲差異變化在2dB以內,至少要有3dB、甚至5dB的差異,人耳才能明顯感受大小聲的差異,此聲音僅2dB變化,大小聲的聽感差異不大,是透過解析才能看出此2dB的響度波動現象。
3.      音色(timbre, tone color):此聲音的頻率組成,包括了「基音頻率」以及和「基音頻率」呈現倍數關係的「泛音頻率」,而且,每個頻率對應的「振幅」大小相異,組成了這個「Do的聲音」的「音色」。

本單元藉由【SM軟體】的「時頻分析」,得到了「時間域波形」、「時間域響度」、「聲音頻譜」及「時頻圖」,探討了人們唱歌的聲音特徵。希望由本單元的介紹,讀者可以了解「人聲」的信號解析方式,以及聲音的「時間域」及「頻率域」的各種特徵。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2019.11.22


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