【振動噪音產學技術聯盟】網頁導覽影片

為提供訪客更多、更清楚的資訊,我們建立【振動噪音產學技術聯盟】網頁導覽影片,只要10分鐘的時間,快速為您介紹聯盟網頁架構、網頁內涵及如何應用,讓您多了解【振動噪音產學技術聯盟】網頁!

振動噪音產學技術聯盟

Facebook粉絲專頁

《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524.6Hz1049Hz。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262.5Hz525Hz。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520Hz1045Hz。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10,000Hz20,000Hz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262.5Hz522.5Hz。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=261.63HzC5=523.25HzC6=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

粉絲團文章連結 
YouTube影片連結 
訂閱電子報 





【活動報導】台灣聲學108年會員大會暨第三十二屆學術研討會

台灣聲學學會20191115日假國立臺灣科技大學舉辦「台灣聲學學會108年會員大會暨第32屆學術研討會」,學會成立宗旨乃結合研究聲學、聽覺語言溝通、機械音響、水中音響、建築音響、超音波及噪音與振動領域等專家學者提供技術、經驗交流研討的場所,並且協助政府及民間部門針對上述專業領域之研究與服務,進一步為提高台灣聲學學術及相關技術水準,以及促進國際聲學學術及相關科技之交流。
【台灣聲學學會】吳聰能理事長致詞表示,台灣聲學學會已成立32年,學會集全國產官、學界菁英於一堂,共商會晤、相互砥礪,為提升我國聲學專業領域不遺餘力,同時感謝各機關團體及會員對本活動的贊助與支持,並邀請各貴賓共襄盛舉慶祝台灣聲學學會32週年。最後也邀請【美國聲學學會】、【香港聲學學會】等貴賓致詞。
本次研討會隆重邀請國外享譽聲學領域之專家發表專題演講,日本小林理學研究所所長山本貢平博士主講「Recent discussion on Shinkansen Express Railway noise」與王栢村教授主講「打擊樂器聲振耦合分析與實驗驗證」。隨後進行台灣聲學學會會員大會,在其最後頒發優秀論文獎及感謝狀。
本活動主辦單位亦邀請數間企業共襄盛舉,包括【利音貿易開發股份有限公司】、【台灣必凱環測股份有限公司】、【御風科技有限公司】、【振動噪音產學技術聯盟】皆設有攤位展示振動聲音量測之相關設備。聯盟專員於現場實際操作聯盟可技轉技術【客製化振動噪音量測系統(SVM)】,邀請會場有興趣的各界先進加入【振動噪音產學技術聯盟】,不論是量身打造教育訓練課程,或是專業顧問諮詢,聯盟皆可提供客製化服務。同日下午會場有25篇論文發表,共同研討、交流聲學議題,本次研討會圓滿順利。
※有關振動噪音相關領域之研發能量,其資訊可由聯盟網站瀏覽與下載(http://aitanvh.blogspot.tw/?m=0)


台灣聲學學會108年會員大會暨32屆學術研討會

日本小林理學研究所山本貢平博士主講Recent discussion on Shinkansen Express Railway noise

國立屏東科技大學 王栢村教授主講「打擊樂器聲振耦合分析與實驗驗證」

臺灣聲學學會吳聰能理事長頒發感謝狀予「振動噪音產學技術聯盟」主席王栢村教授

台灣聲學學會108年會員大會暨32屆學術研討會廠商展示區

聯盟專員向與會人員展示SM軟體

國立屏東科技大學溫儒琳同學論文發表「響鈴板之音場分析及其振動與聲音模態特性探討」

「振動噪音產學技術聯盟」獲感謝狀

《振動噪音科普專欄》為甚麼可以辨別出鋼琴、提琴、鐵琴的聲音?


先前單元:【什麼是聲音的衰減現象?】,探討了「鋼琴單音彈奏」、「提琴單音拉奏」、「鐵琴敲擊單音」的聲音衰減現象,讀者是否想過,為甚麼人們聽到聲音,可以辨別出不同樂器的聲音呢?

由影片,可以聽到3個不同樂器演奏的聲音,分別是鋼琴、提琴、及鐵琴的聲音,相信每個人都可以輕易辨別出這3個聲音。那麼人耳是如何區別出來的呢?

首先,觀察時間域的波形信號,似乎,只能感覺出大小聲,以及衰減的現象,從時間域波形,是無法辨別來自甚麼樂器的聲音!

先前單元:【聲音有甚麼特徵?】,討論到聲音有三大特徵(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)

若是只有聲音的時間域波形信號,大概只能區別出「響度」,也就是大小聲,至於「音調」和「音色」就無法辨別了。

本單元,要探討如何辨別如鋼琴、提琴、及鐵琴等不同樂器的聲音,主要就是「音色」的差異,也就是聲音的頻率組成,就需要借助於「頻譜分析」。讀者可參考:甚麼是頻譜分析?】、【頻譜分析與時頻分析有甚麼差別呢?】。

以下以「時頻分析(spectrogram analysis),分別對鋼琴、提琴、及鐵琴的3個聲音的時間域信號,進行信號處理與解析。

首先,探討「鋼琴單音彈奏」的「時頻分析」,可以得到如圖示,說明如下:

1.          時間域波形圖:在圖示上方,代表的是原始的量測聲音信號。可以看出與「聽感」的大小聲,有相對應的關係。
2.          時頻圖甚麼是時頻圖?】:中間的彩色圖示,就是「時頻圖」,水平軸是時間,垂直軸是頻率,彩色的圖示是聲音的「振幅」大小,以「聲音壓力位準dB值表示。【聲音壓力的大小如何表示?
3.          頻譜圖:在「時頻圖」的左側,就是此聲音的「頻譜圖」,由「聲音頻譜」,找到「第一個峰值頻率」或是有「最大振幅」對應的頻率,就是「基音頻率(fundamental frequency),也就是「音調」的特徵。可以看出「第一個峰值頻率」,f=1050 (Hz),也是有最大的振幅,這是C6音階。同時,可以看到接近倍數頻率的「峰值頻率」,這就是鋼琴聲音的「頻率組成」,也就是「泛音頻率(overtone frequencies),由「基音頻率」和「泛音頻率」的組成,就是「音色」,能夠辨別出鋼琴的聲音,最主要就是「音色」。
4.          時間域響度圖:在「時頻圖」的正下方,相當於,人耳在時間軸上,聽到的響度趨勢,可以看出有明顯的衰減現象。

其次,探討「提琴單音拉奏」的「時頻分析」,可以得到對應的分析圖示,著重在左側的「聲音頻譜」,和鋼琴聲音比較,可以觀察出不同的「聲音頻譜」特徵,說明如下:

1.          基音頻率:「第一個峰值頻率」,也是有「最高振幅的峰值頻率」,約在500 Hz,實際上,在此是C5=523.25 Hz,也就是這個聲音的「音調」。
2.          泛音頻率:由「聲音頻譜」圖可觀察,其他的「峰值頻率」,大約都是「基音頻率」的倍數頻率,這和提琴的振動模態相關,再另闢單員討論。不同的「泛音頻率」,其對應的聲音「振幅」是有大小之差異。
3.          音色:就是「基音頻率」和「泛音頻率」的頻率組成,使得在相同的「音調」下,而人耳能夠辨別出不同樂器的原因,就是「音色」的組成。

最後,探討「鐵琴敲擊單音」的「時頻分析」,也可以得到對應的分析圖示,簡要討論如下:

1.      時頻圖分析:可以觀察不同「峰值頻率」在時間域的「衰減」變化過程。可以看出,高頻率的聲音衰減現象比較快。
2.      聲音頻譜分析:可以觀察「第一個峰值頻率」是「基音頻率」,其他的「峰值頻率」就是「泛音頻率」,共同組成了鐵琴的「音色」。

本單元主要在說明為甚麼人耳能夠辨別出鋼琴、提琴、及鐵琴的聲音,由以上的討論,可以知道,主要的原因如下:

1.      音色:「聲音頻譜」圖中,所有的「峰值頻率」,包括「基音頻率」及「泛音頻率」的組成。
2.      「峰值頻率」對應的「振幅」(1)不同的樂器,就算是演奏相同的「基音頻率」,其所有的「峰值頻率」會有不同的「頻率」特徵。(2)每一個「峰值頻率」對應的「振幅」大小也不同。(3)不同「峰值頻率」的「衰減率」也不同。由先前單元:什麼是聲音的衰減現象?】,可知衰減率」和「阻尼比」有關。

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。

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。(3)各個「峰值頻率」的「衰減率」特徵,也就「阻尼比」。

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,所以能夠聽到樂器聲音,又能夠辨別出是哪一種樂器的聲音。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2019.10.26

粉絲團文章連結 
YouTube影片連結 
訂閱電子報