《振動噪音科普專欄》警車、救護車、消防車的聲音頻譜有甚麼特徵?


這一個單元要來探討的主題是:警車救護車以及消防車,他們的聲音有甚麼特徵?特別是由聲音頻譜的角度來觀察比較。

首先,請讀者觀看影片,可以先聆聽一下警車鳴笛聲,在此還是以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,由「警車鳴笛聲」的聲音重點特徵,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「警車鳴笛聲」大小起伏的變化。
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)。可以看出「警車鳴笛聲」的「聲音響度圖時間域波形」信號,都有對應的大小起伏變化。
3.          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。「警車鳴笛聲」主要有三個頻率,可以看出隨時間「聲音頻譜」有連續「掃頻(swept frequencies)的現象。
4.          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,呈現此聲音信號的「聲音頻譜」,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。在「聲音頻譜圖」的觀察,「警車鳴笛聲」有多個「峰值頻率(peak frequencies)

針對「警車鳴笛聲」可以觀察:主要有三個「倍數頻率」,分別是1000Hz2000Hz3000Hz,以1000Hz為例,隨著時間變化,有呈現1000~1200Hz之間的「掃頻(swept frequencies)現象,也就是「時頻圖」中紅色線的高低起伏變化的現象。

接著,再聽一下「救護車」的聲音,可以聽到熟悉的「喔!咿!喔!咿!」,最近有人說聽起來像是「有醫!有醫!」,那麼「救護車」的聲音有甚麼特徵呢?大致說明如下:

1.      時間域波形」信號及「聲音響度圖」,對應「喔!咿!喔!咿!」可以觀察有兩個明顯的波峰現象,分別就是「喔!咿!」的聲音。
2.      針對「聲音頻譜圖」,作深入的「頻譜分析」,如圖示中間下方,可以觀察出兩個主要的「基音頻率」以及其多個「倍數頻率」所組成。讀者可參閱:【甚麼是「基音頻率」和「泛音頻率」?】。
3.      兩個主要的「基音頻率」分別是715Hz 956Hz,而且此兩個「基音頻率」都分別有明顯的「倍數頻率」,組成了「泛音頻率」。
4.      所以「救護車」的聲音,是由兩個主要的「基音頻率」分別是715Hz 956Hz,以及都有多個「倍數頻率」,組成其「泛音頻率」。

接著,再聽一下「消防車聲#1」的聲音,此聲音與「警車鳴笛聲」的聲音,從「時頻圖」的觀察,可以知道,兩者有很相似的特徵。

在「消防車聲#2」的聲音,是一段聽起來由低音慢慢升高的聽感,循環時,也是一樣的現象,「消防車聲#2」的聲音與前述「警車鳴笛聲」及「消防車聲#1」,略有不同的是:(1)主要「基音頻率」是800Hz,也有其5~6個「倍數頻率」。(2)也有「掃頻 (swept frequencies)現象,不過是由低音到高音,沒有再降下來低音,而是就該聲音的循環來回的「喔-喔」。

最後再聽另一個「消防車聲#3」的聲音,聽起來有急促迴旋「」的聲音效果,在「時頻圖」的觀察,有兩個頻率區間,有紅色線段的快速上下起伏的現象,就是高低頻率的快速變化的特徵。另外,由放大的「聲音頻譜圖」觀察,可知主要高貢獻度的兩個頻率範圍:(1) 750~1750Hz(2) 2100~3200Hz,也就是此頻率區間有較高的聲音「振幅」。

消防車聲#3」的聲音,與前述「警車鳴笛聲」、「消防車聲#1」、「消防車聲#2」最大的不同是,高低頻率的快速變化的特徵,不同其他三種是慢速的「掃頻」特徵。

到這裡,觀察了警車救護車以及消防車,他們的聲音有甚麼共同特徵嗎?為甚麼會有這些特徵?要達到甚麼目的呢?在此,由兩個角度來探討:

1.      時間域特徵:由警車鳴笛聲」、「消防車聲#1」、「消防車聲#2」這三個聲音,都是持續的「掃頻」特徵,大約持續4~5。而「消防車聲#3」的聲音,是非常短促的高低頻率快速變化的特徵,1大約有3的循環。在「救護車」的聲音,在時間域的循環區間,大約是1的循環「週期」。
2.      頻率域特徵:由「警車鳴笛聲」、「救護車」、「消防車聲#1」、「消防車聲#2」、「消防車聲#3」這5種聲音,若是比較一下他們的主要「基音頻率」都有接近1,000Hz的特徵,也都有其「倍數頻率」所組成的「泛音頻率」。為甚麼是接近1,000Hz的特徵呢?由先前單元:【怎麼看「等響度曲線」?】,人耳對1kHz~4kHz的頻率,是最敏銳的頻率區間,這應該就是為什麼這類警示聲音,都在1kHz左右,同時,又都有其「倍數頻率」也落在人耳敏感的頻率區間,又由於有「倍數頻率」會有宏亮的放大效果。

這個單元,透過「時間域特徵」及「頻率域特徵」分析,觀察了五種常聽到的警車救護車以及消防車的聲音,讀者應該可以理解為甚麼要有接近1kHz的聲音?又為甚麼要有不同時間長度的差異?這些聲音特徵,如大小聲時間長短頻譜組成等,都是希望達到警示效果的目的。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2020.04.24

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1 意見:

  1. 王教授好,

    謝謝您詳盡的解說! 冒昧打擾,若能請教您2點,將是學生榮幸:
    (1)警車掃頻隨基頻由低而高時,SPL似乎也由低而高。這是否意味著,掃頻時,除了頻段、速度,也還要考慮掃頻的SPL可隨頻率而變,進而最大化警示效果?

    (2)影片中的警報器聲音,若能逆傅立葉回去到時域波形,說不定也會有大發現。譬如一般大家都提到方波、三角波那些,說不定警報器有一個最適用的波形?

    敬祝 研安
    許俊誼 敬上

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