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《振動噪音科普專欄》不同的馬,他們的叫聲有甚麼不同?


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?】,分別探討「4隻狗的叫聲」的聲音頻譜特徵,以及「牛、羊、豬、大象4種動物的聲音解析,或許會好奇其他動物的叫聲,會有怎樣的聲音頻譜呢?本單元就來討論不同「馬的嘶叫聲」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3張圖示,分別對應的是「1#馬、2#馬、3#」的「馬的嘶叫聲」聲音解析結果。同時,讀者可觀看影片,可以先聽一下這「1#馬、2#馬、3#3種馬鳴嘶叫的聲音。

要解讀這「1#馬、2#馬、3#」的「馬的嘶叫聲」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。【麼是時頻圖?

接著就來看3張圖示有關「馬的嘶叫聲」的解析,在「聲音頻譜圖」及「時頻圖」上,有標示3條線段,分別標示出100020003000Hz頻率位置,分別由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,3個「馬的嘶叫聲」,在原始的「時間域波形」信號,除了大小聲外,似乎觀察不出甚麼特別的現像。大約可以由信號波動的特徵,知道和「馬的嘶叫聲」有相對應而已。
2.          時間域聲音壓力位準(響度) (sound pressure level):在「聲音響度圖」,有明顯的波動,在「馬的嘶叫聲」結束,「響度」有衰減的現象。可以得知「馬的嘶叫聲」,在「時間域響度」是一種連續波動的現象。
3.          頻譜圖 (spectrum):參閱圖示可知,「1#」的頻帶是0~4000Hz,「2#」的頻帶是0~5500Hz,「3#」的頻帶是0~11000Hz,雖然在分析時的設定頻帶不同,從「聲音頻譜圖」可以觀察出主要的頻譜分佈趨勢,以及高振幅的峰值頻率,是有相似之處,當然,峰值頻率是有差異的。
4.          時頻圖 (spectrogram):「1#」的主要峰值頻率約在50015002500Hz,在發聲初期聲音頻率有上揚的趨勢,中間區域的紅色「聲音振幅」等高線,隨著時間變化有連續波動的現象,就是「馬的嘶叫聲」的特徵。「2#」的頻譜分佈特徵類似「1#」,不過似乎有較多的峰值頻率同時出現,在3500Hz有特別高的「聲音振幅」,所以有比較尖銳的聽感。同時,在紅色「聲音振幅」等高線,仍有隨著時間變化有連續波動的現象。「3#」的頻譜分佈圖,可看出主要發聲頻帶在0~4000Hz,而4000~8000Hz雖然也有波峰頻率,但是「聲音振幅」相對較小。又「3#」的紅色「聲音振幅」等高線,隨著時間變化有連續波動的現象,而且有比較大的波動頻率範圍,所以聽感上確實有播放聲音的特徵。

由以上的比較探討可知,「馬的嘶叫聲」主要頻率範圍約在0~4000Hz,同時,會有數個主要的發聲頻率,而該發聲頻率呢,也有明顯的頻率起伏高低音的特徵,所以聽起來有如「聲音響度圖」波動的曲線現象。

在此針對此「馬的嘶叫聲」,再回顧一下先前單元:【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。由「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察,可以得知「馬的嘶叫聲」的主要發聲頻率。
2.      響度(loudness):聲音的大小。由「時間域」的「聲音壓力時間域波形圖」以及「聲音響度圖」都可以觀察到波動及衰減的現象,可以驗證「馬的嘶叫聲」聽感的波動特徵。
3.      音色(timbre):聲音的頻率組成。由「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察,可以得知「馬的嘶叫聲」的頻譜分佈趨勢,以及隨時間變化的頻譜變動情形,對照「馬的嘶叫聲」,是可以相互對應。

除了以上「聲音的三大特徵」外,也可以辨別出聲音的其他特徵,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「馬的嘶叫聲」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。

由以上「1#馬、2#馬、3#3種「馬的嘶叫聲」的聲音頻譜特徵,讀者可以配合聽到的聲音,以及對應的3個聲音解析圖示,了解到「馬的嘶叫聲」的發聲特性。

在沒有機械動力交通工具以前,馬扮演了重要的角色,或許,過去的人們是很熟悉馬的聲音,但是,當代人們幾乎和馬很遙遠,馬的嘶叫聲代表甚麼意義呢?在科學的聲音解析中,能夠解讀出甚麼訊息呢?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「馬的嘶叫聲」,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?

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2019.11.23

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