《振動噪音科普專欄》豹子、猴子和青蛙的叫聲有甚麼差別？

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？】，【不同的馬，他們的叫聲有甚麼不同？】，【禽類的叫聲有甚麼特徵呢？】，【獅子吼和狼嚎的聲音頻譜有甚麼差異嗎？】，分別探討：

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」和「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」和「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」和「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)圖 (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dB和dB(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」和「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400、500Hz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400、500Hz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1400Hz及2400Hz，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「倒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。

如先前單元：【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」和「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400、500Hz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1400Hz及2400Hz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1000~3000Hz及0~4000Hz，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倍「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

文章連粉絲團結 
YouTube影片連結 
訂閱電子報