《振動噪音科普專欄》相同音階，為什麼會有不同的聽感呢？

前一個單元：【為甚麼可以辨別出鋼琴、提琴、鐵琴的聲音？】，探討了人耳能夠辨別出不同樂器的聲音，係因為「聲音頻譜」中的「頻率」、「振幅」、及「阻尼比」，也就是主要影響「音色」的3個主要因子。

這個單元針對有相同音階的4個聲音，來探討為什麼會有不同的「聽感」呢？首先，就請讀者觀看本單元的影片，可以聽一下這4個聲音，並參考圖示的時間域波形，就聽感來說：

1.      A聲音：是3個衰減的聲音，聽起來像是Do的音階。

2.      B聲音：也是Do的音階，聽起來是比較悶的撥弦方式，有些微衰減的效果。

3.      C聲音：有高頻率的微微波浪振盪的回音效應，聽起來也是Do的音階。

4.      D聲音：像是吹簫的聲音，是持續Do的音階，有微幅波動的不穩定聲音。

不管讀者的聽感如何，4個聲音似乎都是有相同的音階，但是有截然不同的聽感。從圖示的時間域波形，是可以感覺出大小聲的變化情形。

要去探討這4個聲音的差異，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。

從圖示的「時間域波形」信號來看，是可以感覺出聲音大小的「響度」變化，「音調」也就是聲音的頻率，專業音樂人士，可能可以聽出來是Do的「音階」。然而「音色」的頻率組成，大概就很難具體的描述了，只能說「音色」確實有明顯的差異。

以下就採用「頻譜分析」【甚麼是頻譜分析？】以及「時頻分析」【頻譜分析與時頻分析有甚麼差別呢？】的方式，探討這4個聲音的特徵。

首先，針對A聲音的圖示，做一個綜合介紹，係採用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」，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。

2.          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。

3.          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)。

4.          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)。

以下分別探討4個聲音的「頻譜」特徵：

1.          A聲音的頻譜特徵：由「聲音頻譜圖」可觀察，有數個頻率峰值，前兩個波峰頻率分別為524.6Hz及1049Hz。由「時間域聲音響度圖」可看出和原始的「時間域波形圖」有對應，是3個相同的、有明顯衰減現像的聲音。在「時頻圖」，可觀察不同頻率的振幅大小隨時間的衰減變化歷程。

2.          B聲音的頻譜特徵：由「聲音頻譜圖」可觀察，有數個頻率峰值，前兩個波峰頻率分別為262.5Hz及525Hz。由「時間域聲音響度圖」可看出和原始的「時間域波形圖」有對應，是4個相同的聲音，在初始激振後，聲音有些微衰減的現象。在「時頻圖」，可觀察不同頻率的振幅大小隨時間的衰減變化歷程，特別是262.5Hz的頻率，全程存在、而且有相近的振幅。

3.          C聲音的頻譜特徵：由「聲音頻譜圖」可觀察，有數個倍數頻率峰值的特性，前兩個波峰頻率分別為520Hz及1045Hz。由「時間域聲音響度圖」可看出和原始的「時間域波形圖」有對應，是4個相同的聲音組成，每個聲音有明顯飄動的現像。在「時頻圖」，可觀察不同頻率的振幅大小隨時間的衰減變化歷程，特別是1045Hz的頻率，全程存在有相近的振幅；而，520Hz的振幅最大，在時間域有間歇的大小飄動。觀察右上方圖示，是0~22,000Hz頻率區間的對應圖示，可以觀察出在10,000Hz及20,000Hz附近，分別有兩個峰值頻率，所以會有高頻率特徵的聽感。

4.          D聲音的頻譜特徵：由「聲音頻譜圖」可觀察，也有數個倍數頻率峰值，前兩波峰頻率分別為262.5Hz及522.5Hz。由「時間域聲音響度圖」可看出和原始的「時間域波形圖」有對應，類似吹簫的聲音，有微幅顫抖的現象。在「時頻圖」，可觀察不同頻率的振幅大小隨時間變化，聲音振幅大約相近，也就是聲音是持續的特徵。

從以上的討論，4個聲音出現的主要「峰值頻率」，與「標準音階頻率」：C4=261.63Hz、C5=523.25Hz、C6=1046.5Hz，有直接的相關性，可以知道這4個聲音的主要「峰值頻率」是C5=523.25Hz，就是「基音頻率」，並且有不同的「泛音頻率」組成其「音色」。所以4個聲音的聽感，在「音階」上是相同的，但是由於「音色」的不同，聽感是截然不同的。

綜合一下本單元的聲音特徵討論，可以由以下幾個方向探討：

1.      時間域特徵解析：由「時間域波形圖」以及「時間域聲音響度圖」，前者，是原始的聲音信號，後者，是轉化為「聲音壓力位準」dB，可以比較觀察不同聲音的在時間域的衰減、明顯飄動、或持續的微幅波動等特徵。

2.      頻率域特徵解析：由「聲音頻譜圖」，可以觀察聲音的頻率組成，也就「音色」的特徵。

3.      時間域及頻率域的特徵解析：由「時頻圖」除了可以觀察「音色」的聲音頻率組成，也可以看到不同頻率的衰減、飄動、或持續性的特徵。

由以上討論可以知道，相同音階的聲音，會有不同的聽感，主要是：(1)「音色」：聲音的頻率組成差異之影響。(2)「響度」：聲音的大小隨時間的變化現象，如衰減、飄動、持續等特徵的差異。

本單元藉由「時頻分析」得到的「時頻圖」及「聲音頻譜」，可以觀察一個樂器聲音的特徵，包括：(1)「音調」就是「基音頻率」。(2)「音色」是「基音頻率」和「泛音頻率」的組成。

人的耳朵，確實是個了不起的「感測器」(sensor)，也是具有了不起的「頻譜分析」能力，所以能夠聽到相同音階的聲音，又能夠辨別出「音色」的差異。

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2019.11.11

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