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《振動噪音科普專欄》聲音有甚麼特徵?


日常生活中,可聽到各種不同的聲音,這個主題就來看「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。

首先,來看音調(pitch)的差異,以下由純音(pure tone) 來說明,純音就是單一頻率的聲音。參考圖示,分別是f=100Hz200Hz500Hz、以及1,000Hz,有相同振幅大小的聲音,讀者也可瀏覽影片,可以聽出不同頻率的差異。

由時間域的波型顯示,在相同的時間區間,T=0.01 sec,可以觀察:

1.      f=100Hz:有1個完整的正弦波,也就是「週期」是0.01sec,所以,得知「頻率」是「週期」的倒數,「頻率」就是100Hz
2.      f=200Hz:在T=0.01 sec的區間,有2個完整的正弦波,也就是「週期」是0.005sec,所以,「頻率」就是200Hz
3.      f=500Hz:在T=0.01 sec的區間,有5個完整的正弦波,也就是「週期」是0.002sec,所以,「頻率」就是500Hz
4.      f=1,000Hz:在T=0.01 sec的區間,有10個完整的正弦波,也就是「週期」是0.001sec,所以,「頻率」就是1,000Hz

其次,響度(loudness),是指聲音的大小聲,同樣以純音(pure tone)來說明,參考圖示,分別是以f=200Hz的純音,以振幅X=1234,繪出其時間域波型圖示,可以得知,波形的周其特徵相同,只是波型的「振幅」大小有差異,所以,不同振幅的純音,就可以大略區別出大小聲的感受,這就是響度

接著,再看音色(timbre),如圖示,有不同頻率的組成:

1.      f=100Hzf=200Hz:是兩個純音,相同振幅大小,所組成的聲音,時間域的波型,可以約略看出有100Hz200Hz的波型,至於振幅,已經不容易辨別。
2.      f=100Hzf=200Hzf=500Hz:是3個純音,相同振幅大小,所組成的聲音,由時間域的波型已經無法辨別其頻率,不過可以看出在T=0.01sec,有「重複性的時間域波型」,此現象可以說是「音色」在時間域的特徵。
3.      f=100Hzf=200Hzf=500Hzf=1,000Hz:是4個純音,相同振幅大小,所組成的聲音,由時間域的波型更是無法辨別其頻率,不過,同樣可以看出在T=0.01sec區間,有「重複性的時間域波型」,此現象可以說是「音色」在時間域的特徵。

聲音頻率的組成,就是「音色」,好聽的聲音,如「和弦音」,是特定的頻率組成,會呈現出和諧、悅耳的聲音,這個主題再另闢單元討論。

又由解說影片的聲音聽感,在此,先提出幾個重點:

1.      在相同振幅,不同音調頻率的純音:雖然振幅大小一樣,但是,不同頻率純音的聽感大小聲,卻有不同,這是因為人耳對不同頻率的敏感度不同,再另闢單元討論。
2.      在相同頻率,不同聲音振幅大小的純音:振幅由1234倍的差異,似乎聽感並不是如此的比例關係,這也是人耳對聲音振幅的感度,並不是線性關係,再另闢單元討論。
3.      在不同頻率組成的音色探討:不同的聲音確實會有不同的頻率組成,例如:不同人講話、唱歌的聲音,或是各種樂器的聲音,人耳能夠辨別,就是音色的差異。

總結一下,這個單元所討論的是,聲音有三大特徵(1)音調(pitch)(2)響度(loudness)(3)音色(timbre)。分別是指聲音的頻率(frequency)、聲音的振幅(amplitude)、聲音的頻率組成(content of frequencies)

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2019.10.12

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