《振動噪音科普專欄》豹子、猴子和青蛙的叫聲有甚麼差別?



1.      4隻狗的叫聲」的聲音頻譜特徵
2.      牛、羊、豬、大象4種動物的聲音解析
3.      3匹不同「馬的嘶叫聲」的差異
4.      4種「禽類叫聲」的聲音特徵
5.      兩種掠食性動物「獅吼聲」、「狼嚎聲」的聲音頻譜特徵

或許讀者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「豹子咆嘯青蛙鳴叫猴子吼叫」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「豹子青蛙」、「1#猴子2#猴子」的聲音解析結果。同時,讀者可觀看影片,可以先聽一下這4種聲音的差別。

要解讀這「豹子咆嘯青蛙鳴叫猴子吼叫」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「豹子咆嘯青蛙鳴叫猴子吼叫」的聲音解析,重點說明如下:

1.      豹子咆嘯:聽起來聲音相當低沉,在「頻率域」的「聲音頻譜圖」及「聲音時頻圖」可以得知,主要的的頻帶在2000Hz以下,其中,又以400500Hz的頻率最明顯。隨時間變化,頻譜有些微起伏的頻率變動特徵。又從「時間域」的「聲音壓力波形圖」,發聲初期有明顯的「嗡嗡」波動效應,集中在400500Hz的頻帶,而「聲音響度圖」則有些微的波動。
2.      青蛙鳴叫:主要的發聲頻率範圍,在1000~3000Hz,有兩個主要「峰值頻率」頻帶約1400Hz2400Hz,此頻帶在「聲音時頻圖」是波動的。在「時間域」的「聲音響度圖」,每一段「蛙鳴」聲呈現週期性的雙波波動,鳴叫聲之間的波動範圍,約有15dB的差異,這就是為什麼有人會被「蛙鳴」聲吵得睡不著的主要原因。因為,一個連續的聲音若有超過10dB的響度變化,是會有擾人的聽感。而且,由先前單元:【怎麼看「等響度曲線」?】,此「蛙鳴1000~3000Hz的發聲頻帶,正是人耳敏感的頻帶。
3.      猴子吼叫:從聽到的「1#猴子」及「2#猴子」的聲音以及頻譜分佈趨勢,可能是相同的猴子叫聲,「1#猴子」有3段的聲音,「2#猴子」有5段的聲音。主要的發聲頻率範圍,在0~4000Hz,從「頻率域」的「聲音頻譜圖」及「聲音時頻圖」觀察,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1000Hz左右。同時,紅色「聲音振幅」等高線有「V」的現象,是頻率高低的起伏音現象。這「1#猴子」及「2#猴子」的叫聲,會覺得吵雜的原因有二:(1)主要的「基音頻率」大約在1000Hz左右,以及數個「倍頻音」的頻率,恰好是人耳相當敏感的頻帶。(2)聲音響度圖」的波動範圍約15~20dB,如前述:一個連續的聲音若有超過10dB的響度變化,是會有擾人的聽感。

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。

由以上討論可以綜合一下有關「豹子咆嘯青蛙鳴叫猴子吼叫」的「音調」聲音頻譜特徵:

1.      豹子咆嘯」:主要的的頻帶在2000Hz以下,其中,又以400500Hz的頻率最明顯,隨時間變化頻譜有些微起伏的頻率變動特徵。
2.      青蛙鳴叫」:主要的發聲頻率範圍,在1000~3000Hz,有兩個主要「峰值頻率」頻帶,分別為1400Hz2400Hz左右,此頻帶在「聲音時頻圖」是波動的。
3.      猴子吼叫」:主要的發聲頻率範圍,在0~4000Hz,「基音頻率」大約在1000Hz左右,有多個「倍頻音」的特徵。

在「響度」的特徵比較,「青蛙鳴叫」、「猴子吼叫」會有擾人清夢的原因:

1.      主要的發聲頻率範圍:分別是1000~3000Hz0~4000Hz,由先前單元:【怎麼看「等響度曲線」?】,1000~4000Hz正是人耳敏感的頻帶,也就是相同聲音大小,此頻帶人耳聽覺最靈敏。
2.      聲音響度差異範圍:參考先前單元:相同頻率的純音,不同聲音大小,人耳的聽感有甚麼差異?】,當「聲音壓力位準」相差3 (dB):人耳無法辨別大小聲的差異。「聲音壓力位準」相差10 (dB):人耳的聽感有2響度」的差異。在此「青蛙鳴叫」及「猴子吼叫」的「聲音響度圖」的波動範圍,都超過10dB以上,因此,短時間的劇烈「響度」差異變化,超過10dB以上,使得擾人清夢!

由「音色」的角度,比較「豹子咆嘯」、「青蛙鳴叫」及「猴子吼叫」三者的特徵:

1.      豹子咆嘯」:沒有特別的頻率組成,或許低吟的抖動聲音是有威嚇效果的原因。
2.      青蛙鳴叫」:也是沒有特別的頻率組成,聽起來就像「木魚」的「無調」打擊樂器。
3.      猴子吼叫」:雖然有類似人聲或樂器的「倍頻音」特徵,但是,如前述「時間域」的「聲音響度圖」有大的波動,因而,造成不和諧的聲音。

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。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。

近期有一系列的專欄主題,以「頻譜分析」以及「時頻分析」,探討了各種動物的聲音解析與特徵,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,以及聲音與其不同情緒的關聯性?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?或是與人們聽覺感受的關聯性呢?似乎等等的諸多疑問,都有待人類的探索!

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2019.11.26

文章連粉絲團 
YouTube影片連結 
訂閱電子報 







0 意見:

張貼留言