《振動噪音科普專欄》人們唱歌的聲音，有甚麼樣的頻譜特徵呢？

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。

這個單元就以這三個特徵的角度，來探討「人聲唱歌」的聲音之頻譜特徵。

首先，請讀者觀看影片，可以聽到作者唱音階Do的聲音，由於錄製聲音的裝置，有效頻寬到7,000Hz，以下的分析，就針對此「Do的聲音」作頻譜的特徵探討。

本單元對聲音的頻譜特徵分析，係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」，參閱0~7,000Hz的圖示，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。代表的物理意義是「聲音壓力」(sound pressure)。此信號呈現「波動」的隨機信號特性，實際上，觀察不出甚麼現像。

2.          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)，此「聲音振幅」的物理意義是「聲音壓力位準」(sound pressure level)。此信號呈現2dB的些微波動。

3.          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。可以觀察0~7,000Hz的頻率範圍之頻譜分佈特徵。

4.          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)。可以觀察隨時間變動時，聲音頻譜的分布狀態與趨勢。

放大圖示來看，主要的高貢獻度頻帶，約在0~1,000Hz以及2,500~3,000Hz，其中，0~1,000Hz的聲音振幅又明顯高了約30dB，為了深入觀察主要的高貢獻度頻帶，【SM軟體】可以選擇頻率區間做局部放大的解析，參閱0~5,000Hz的圖示，說明如下：

1.      由「聲音頻譜圖」、「時頻圖」可以明顯看出有「簡諧倍頻」的特徵。

2.      由「時間域聲音響度圖」，與0~7,000Hz圖示，相互比較，「響度」曲線圖，不僅趨勢相同、量值也一致。隱含的意義，0~5,000Hz頻帶對「響度」的貢獻度，和0~7,000Hz頻帶對「響度」的貢獻度是相同的。也就是5,000Hz以上的頻帶，對於「響度」貢獻小，這可以從「頻譜圖」看出來，確實5,000~7,000Hz頻帶的聲音振幅，相較下小很多，超過40dB的差異。

再進一步放大頻寬分析，參閱0~1,200Hz的圖示，觀察及討論如下：

1.      基音頻率(fundamental frequency)：由「頻譜圖」可看到第一個峰值頻率是130.8Hz，此頻率值和【音階標準頻率】C3=130.81Hz，是相符合的，也就是這個「Do的聲音」的音準是正確的。

2.      泛音頻率(overtone frequencies)：由「頻譜圖」及「時頻圖」可以明顯看出，有「簡諧倍頻音」的存在，這些「倍頻音」就是「泛音頻率」，而每一個「倍頻音」的「泛音頻率」對應的聲音振幅大小不同，其中，以「基音頻率」的振幅最大。

3.      人聲的「音色」(timbre)：是由頻率的組成所影響，「頻率組成」包括「基音頻率」和「泛音頻率」，以及各頻率對應的「聲音振幅」，每個人的聲音其「音色」的「頻率組成」不同，所以可以辨識出不同人的聲音。

4.      頻帶對「響度」的貢獻度：此「Do的聲音」在3個不同頻帶的解析可發現，時間域「響度」曲線幾乎相同，所以可推論，0~1,200Hz頻帶主導了對「響度」的貢獻度。

如前述，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。

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「Do的聲音」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「波動」及「衰減」的現象。

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，藉由聆聽聲音以及對應圖示的解析，來觀察與體會此物理現象及物理意義。

這個「Do的聲音」，透過以上的解析，可以綜合如下：

1.      音準(pitch)：此聲音的「基音頻率」恰為C3的【音階標準頻率】，「音準」是正確的。

2.      響度(loudness)：此聲音的大小聲差異變化在2dB以內，至少要有3dB、甚至5dB的差異，人耳才能明顯感受大小聲的差異，此聲音僅2dB變化，大小聲的聽感差異不大，是透過解析才能看出此2dB的響度波動現象。

3.      音色(timbre, tone color)：此聲音的頻率組成，包括了「基音頻率」以及和「基音頻率」呈現倍數關係的「泛音頻率」，而且，每個頻率對應的「振幅」大小相異，組成了這個「Do的聲音」的「音色」。

本單元藉由【SM軟體】的「時頻分析」，得到了「時間域波形」、「時間域響度」、「聲音頻譜」及「時頻圖」，探討了人們唱歌的聲音特徵。希望由本單元的介紹，讀者可以了解「人聲」的信號解析方式，以及聲音的「時間域」及「頻率域」的各種特徵。

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2019.11.22


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