《振動噪音科普專欄》獅子吼和狼嚎的聲音頻譜有甚麼差異嗎?


由先前單元:【不同的狗,吼叫的聲音頻譜有甚麼差異?】,【牛、羊、豬、大象的聲音有甚麼特徵?】,【不同的馬,他們的叫聲有甚麼不同?】,【禽類的叫聲有甚麼特徵呢?】,分別探討「4隻狗的叫聲」的聲音頻譜特徵,「牛、羊、豬、大象4種動物的聲音解析,3匹不同「馬的嘶叫聲」,以及4種「禽類叫聲」的聲音特徵,或許會好奇其他動物的叫聲,會有怎樣的「聲音頻譜」呢?本單元就來討論森林之王的「獅子吼叫聲」以及掠食性動物「狼嚎聲」的聲音解析。

讀者可以參閱圖示,可看到透過「頻譜分析」以及「時頻分析」的4張圖示,分別對應的是「1#獅子」、「2#獅子」、「1#」和「2#」的聲音解析結果。同時,讀者可觀看影片,可以先聽一下「1#獅子」、「2#獅子」、「1#」和「2#」這兩種掠食性動物「獅吼聲」、「狼嚎聲」的聲音。

要解讀這「獅吼聲」、「狼嚎聲」的聲音之前,先回顧一下,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」,所得到的4個重要圖示,重點說明如下:

1.          聲音壓力時間域波形圖 (time waveform):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)。此波形圖呈現了聲音的「波動」現象,不過,除了大小聲外,似乎觀察不出甚麼特別的現像。
2.          時間域聲音壓力位準(響度) (sound pressure level):可以簡稱「聲音響度圖」,在圖示下方,呈現此聲音隨時間變化的「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)。【聲音壓力位準dBdB(A)有甚麼不同?
3.          頻譜圖 (spectrum):因為解析的信號是「聲音」,所以稱為「聲音頻譜圖」,在圖示左方,呈現此聲音WAVE信號的「頻譜」,也就是頻率與其振幅的組成。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「聲音頻譜」的分佈特徵。【常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?
4.          時頻圖 (spectrogram):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。【甚麼是時頻圖?

接著就來看4張圖示有關這兩種掠食性動物「獅吼聲」、「狼嚎聲」的聲音解析,重點說明如下:

1.      1#獅子:聽起來像是輕聲吼叫的「獅吼聲」,從「時間域」的「聲音壓力波形圖」可看出明顯的波動效應,而「聲音響度圖」則有些微的波動。在「頻率域」的「聲音頻譜圖」及「聲音時頻圖」可以得知,與聽感對應的低沉「獅吼聲」,主要的的頻帶在1000Hz以下,1000~2500Hz則有較小振幅的「倍頻音」效應。
2.      2#獅子:聽起來像是剛睡醒的「獅吼聲」,由「頻率域」的「聲音頻譜圖」及「聲音時頻圖」觀察,「基音頻率」大約在150Hz左右,也有「倍頻音」的特徵,雖然聲音衰減了,但是低沉的頻率仍持續存在,觀察「時間域」的「聲音壓力波形圖」以及「聲音響度圖」,並且有微微具有鎮攝效果的抖動音。
3.      1#:這匹狼的叫聲「喔嗚」,從「頻率域」的「聲音頻譜圖」及「聲音時頻圖」可以觀察,有明顯的數個「峰值頻率」,由等距離的紅色「聲音振幅」等高線,可判斷有「倍頻音」的特徵,「基音頻率」大約在600Hz左右,一開始的「峰值頻率」略低,隨即拉高頻率並微微下降,就是「喔嗚」的聽感效應。其中,1200Hz的「峰值頻率」振幅持續最長。
4.      2#:這匹狼叫聲的「聲音頻譜圖」及「聲音時頻圖」與「1#」的分佈趨勢相似,不同之處:(1)基音頻率」:「2#」的「基音頻率」大約在1000Hz左右,比「1#」的600Hz左右較高。(2)紅色「聲音振幅」等高線:「2#」的右下斜的斜率大於「1#」,代表「」的聲音頻率下降比較多;(3)音色」特徵:「2#」有抖動音的特徵,而「1#」的等高線平穩許多,可以說「1#」的音質比較清晰。

先前單元:【聲音有甚麼特徵?】,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。

由以上的比較探討可知這兩種掠食性動物「獅吼聲」及「狼嚎聲」的聲音特徵,綜合討論如下:

1.      音調」比較:「獅吼聲」有較低沉的聲音所呈現「基音頻率」大約在150Hz左右,具有「倍頻音」的特徵。「狼嚎聲」也同樣有「倍頻音」的特徵,其「基音頻率」,「1#」約600Hz左右、「2#」大約在1000Hz左右,比「獅吼聲」頻率高。
2.      響度」比較:個別的聲音大小,在此絕對量值無從比較,但是,「獅吼聲」會有鎮攝效果,很可能是因為「時間域」的微微連續抖動音所致。而「狼嚎聲」的「響度」特徵是比較持續的、宏亮的。
3.      音色」比較:比照人的聲音,以「基音頻率」以及和「基音頻率」呈現倍數關係的「泛音頻率」來看,「獅吼聲」及「狼嚎聲」都有明顯的「基音頻率」及「泛音頻率」。「1#」的音質比較清晰,主要是其紅色「聲音振幅」等高線呈現平穩的現象。以這樣的角度來看,「1#」可能是不錯的「聲樂家」喔!

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「獅吼聲」及「狼嚎聲」的聲音特徵,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「獅吼聲」的微微「波動」的抖動音及「衰減」的現象。相對來說,「狼嚎聲」的嗚叫過程,相對平穩。
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,頻譜的「波動」在「狼嚎聲」特別明顯,是頻率高低音的起伏。讀者可藉由聆聽聲音以及對應圖示的解析,來觀察與體會聲音的「波動」及「衰減」的現象,以及對應聽感的物理意義。

兇猛的「掠食性」動物與溫馴的「草食性」動物,他們的聲音特徵有甚麼差別?為什麼會有差別?像本單討論的這兩種掠食性動物「獅吼聲」及「狼嚎聲」的聲音特徵,對於其他動物、甚至人們有甚麼威嚇效果?又為什麼會有威嚇效果呢?似乎等等的疑問,都有待人類的探索!

這個單元以「頻譜分析」以及「時頻分析」,探討了兩種掠食性動物「獅吼聲」及「狼嚎聲」的聲音解析,了解其聲音在「時間域」及「頻率域」的各種特徵。本單元除了在介紹聲音的特徵解析外,或許有讀者想到要更深入了解其他不同動物,有怎樣的不同叫聲,以及不同的情緒關聯性,又是否能透過科學量化的聲音解析,了解動物的聲音之訊息傳遞、或是人們的聽覺感受關聯性呢?

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2019.11.26

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