辨析聲音的三個(gè)特性

劉洪群

摘 要：在學(xué)生學(xué)過(guò)《聲音的特性》后，每當(dāng)面對(duì)敲碗、敲瓜、叩診、聽診器等問(wèn)題請(qǐng)教老師時(shí)，不同教師的答案卻是不同的。究竟是音調(diào)起主要作用還是音色為主呢？本文將通過(guò)深層次的理論探究+古今例證+實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，讓學(xué)生輕松得以鑒別；同時(shí)，也促進(jìn)學(xué)生理解探究的真諦，培養(yǎng)學(xué)生刻苦鉆研的創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞：聲音；音調(diào)；音色；響度；辨析特性

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）12-0059-3

《聲音的特性》是人教版八年級(jí)物理課本第二章《聲現(xiàn)象》的第二節(jié)內(nèi)容。教材是通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)（可改為學(xué)生小組合作探究），示波器示波及計(jì)算機(jī)模擬聲音的波形來(lái)學(xué)習(xí)和認(rèn)知音調(diào)、響度和音色的。其特性中音調(diào)的決定因素頻率、響度的決定因素振幅和音色的決定因素發(fā)聲體的材料與結(jié)構(gòu)也是明顯的。然而，每當(dāng)學(xué)生面對(duì)敲碗、敲瓜、敲車輪、敲鐵軌、叩診、聽診器等題目請(qǐng)教老師時(shí)，答案卻是不同的，甚至不同的教輔材料或者不同地區(qū)的中考答案也各不相同，特別是新入職的青年教師更是一頭霧水。

我們通常說(shuō)的“聲音”：是指人類能夠聽到的“聲”，也就是可聞聲。而聲則包含著次聲波、超聲波和聲音?！堵曇舻奶匦浴芬还?jié)里不包含次聲和超聲部分。

聲音的發(fā)源地叫“聲源”：任何做機(jī)械振動(dòng)的物體，均可在周圍的彈性介質(zhì)中激起彈性波，若頻率在16～20 000 Hz之間（中學(xué)課本給定20～20 000 Hz，以后按此敘述），它就是一個(gè)聲源。若頻率低于20 Hz則為次聲源，頻率高于20 000 Hz則為超聲源，次聲和超聲均不在可聞聲范圍內(nèi)。樂(lè)器中管、弦、膜、板的駐波振動(dòng)就是常見的聲源。

以兩端固定弦的振動(dòng)為例，端點(diǎn)是波節(jié)；振動(dòng)是由各種可能的駐波所合成，最長(zhǎng)成分波的波長(zhǎng)等于弦長(zhǎng)的兩倍，兩端是相鄰波節(jié)，相應(yīng)的振動(dòng)頻率最小，稱為基音頻率；其他頻率為基音頻率的整數(shù)倍，稱為諧音頻率（也叫泛音頻率）。

弦的基音頻率可由下式而定：f=。式中L表示弦長(zhǎng)，T表示弦的張力（T與發(fā)聲體的結(jié)構(gòu)、材料有關(guān)），μ表示單位弦長(zhǎng)的質(zhì)量（這與發(fā)聲體的弦長(zhǎng)、橫截面積、材料有關(guān)）。正如二胡的發(fā)聲：調(diào)弦是改變T，弦越緊，張力越大，弦振動(dòng)的頻率越快，音調(diào)越高。里弦粗，μ大，音調(diào)就低；用指法按弦，L就變化，指位越靠下，L越短，音調(diào)越高。管樂(lè)器分為開管、閉管兩種，頻率主要由管長(zhǎng)決定，指法就是調(diào)節(jié)管長(zhǎng)；鼓屬于膜振動(dòng)，鑼則是板的振動(dòng)。

音調(diào)是由物體振動(dòng)頻率決定的，頻率高的音調(diào)高，頻率低的音調(diào)低；而發(fā)聲體的固有振動(dòng)頻率又是受多種因素的制約。

音色：是聽者所感覺到聲音的特色。也稱為音品和音質(zhì)，純音沒(méi)有音色，復(fù)音才有音色的不同。

一種聲音就是一系列聲波頻率的組合（這一組合通常稱為頻譜），這種頻譜由最低頻率（稱為基頻、由此產(chǎn)生的聲音叫基音）及許多基頻整數(shù)倍的高頻（由此產(chǎn)生的聲音叫泛音）組成。一般高頻部分的響度比基頻部分的響度小很多，而音調(diào)主要體現(xiàn)在聲音頻譜中的基頻基音部分，音色則體現(xiàn)于聲音頻譜中的高頻泛音部分。

音色主要決定于聲音的頻譜，即基音和各次諧音（泛音）的組成。跟聲波的波形、聲壓及聲音的時(shí)間特征有關(guān)系；也和發(fā)聲體所發(fā)出聲音的泛音個(gè)數(shù)、頻率分布、強(qiáng)度分布、距聲源的距離、聽者的年齡、經(jīng)歷、心情環(huán)境等有關(guān)系。

從圖1、2、3的波形圖中可以清楚地看出不同聲音的特性。音叉、鋼琴和長(zhǎng)笛的基頻（振幅最大的頻率）相同即音調(diào)相同；音叉發(fā)出的是純音，鋼琴和長(zhǎng)笛發(fā)出的復(fù)音聲波在基頻的基礎(chǔ)上還附加了一些小的振動(dòng)，這些小的振動(dòng)和大的振動(dòng)一同決定了鋼琴和長(zhǎng)笛的音色。

宏觀上看音調(diào)的決定因素是頻率，細(xì)分之處聲源的固有振動(dòng)頻率與發(fā)聲體的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)；音色也與發(fā)聲體的材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，音調(diào)與音色存在交叉關(guān)聯(lián)部分，難以區(qū)分是必然的。

具體到敲瓷碗聽音辨好壞，大多數(shù)老師目前給學(xué)生講的依然是音色，而人教版的教師教學(xué)用書（2005年6月第2版，2005年8月第3次印刷）第49頁(yè)的答案卻是：音調(diào)和音色皆有，相比之下，主要是根據(jù)碗的音調(diào)不同來(lái)判斷的，十幾年了未能改變老師們的思維定勢(shì)。在敲瓜辨生熟的問(wèn)題上，更是清一色地認(rèn)為音色是主要的，即便老師們進(jìn)行集體教研討論，也是公說(shuō)公的理、婆說(shuō)婆的理，誰(shuí)都無(wú)法說(shuō)服對(duì)方。

下面的一個(gè)事例可能對(duì)老師們有所啟發(fā)，唐朝開元年間，洛陽(yáng)有一姓劉的和尚，他房間內(nèi)掛著一個(gè)磬。有一天，劉和尚沒(méi)有敲磬，磬卻自動(dòng)響起來(lái)了，這使他大為驚奇。他的一位好友曹紹夔精通音律，聞?dòng)嵡皝?lái)探望，經(jīng)過(guò)一番觀察，發(fā)現(xiàn)每當(dāng)寺院里的鐘響起來(lái)時(shí)，劉和尚房里的磬也跟著響了。于是曹紹夔拿出銼來(lái)把磬磨去幾處，從此磬就不再自鳴了。曹紹夔說(shuō)：“這個(gè)磬的律跟寺院里那口大鐘的律正好相同，因此只要寺院里的大鐘一響，這個(gè)磬就跟著響起來(lái)（當(dāng)策動(dòng)力頻率等于或接近固有頻率且“合拍”時(shí)就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象）。我用銼把磬銼了幾下，它們的律就不相同了，所以撞那口大鐘的時(shí)候，這個(gè)磬就不再跟著響了。曹紹夔所說(shuō)的“律”，就是我們所指樂(lè)器的“頻率”，把磬銼了幾下，磬的結(jié)構(gòu)變了，磬的頻率自然就變，磬的頻率和大鐘不相同了，就不會(huì)再跟大鐘發(fā)生共鳴了。

瓷碗有破損時(shí)，會(huì)造成缺一小塊或出現(xiàn)一些裂縫，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與好的不同，敲擊時(shí)它所發(fā)出聲音的音調(diào)和音色與好的都不相同。由于破損瓷碗原來(lái)振動(dòng)的完整圓軌被破壞，使得振動(dòng)的部分變長(zhǎng)，造成頻率變慢，音調(diào)降低；因此，通過(guò)敲擊瓷碗辨好壞，音調(diào)為主、音色為輔。實(shí)驗(yàn)室里的音叉由于銹蝕、磕碰會(huì)造成頻率的改變，不易完成共鳴現(xiàn)象，這也是教師在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要考慮的技術(shù)問(wèn)題。

圖4、5是在2116微秒每格的示波器上獲取的瓷碗聲波波形，不難發(fā)現(xiàn)好碗的振動(dòng)頻率明顯高于破損碗，音調(diào)區(qū)別是明顯的，應(yīng)該為主，音色區(qū)別只能次之，這與人教版教師教學(xué)用書的答案是一致的。

生瓜與熟瓜的音調(diào)不同，音色當(dāng)然也不相同。但是，人耳對(duì)音調(diào)與音色的區(qū)別是有先后次序的，既然基頻中的響度遠(yuǎn)大于音色中的高頻成分，那么人耳首先區(qū)別的是基頻即音調(diào)有無(wú)差別；若此差別不大，人耳才會(huì)繼續(xù)區(qū)別高頻成分中即決定音色部分有何不同。生瓜與熟瓜的音調(diào)已有明顯差異，于是人耳對(duì)音色的差異就不敏感了。因此，通過(guò)敲擊來(lái)區(qū)分生瓜和熟瓜主要還是音調(diào)的差別，音色即便有些作用也是次要的。另外，不同人通過(guò)敲擊來(lái)區(qū)分生瓜和熟瓜還與人耳以及大腦中聽覺區(qū)域的結(jié)構(gòu)和功能有很大的關(guān)系（即不同人對(duì)音調(diào)差異與音色差異的敏感度不同），還與不同生瓜、熟瓜的基頻與高頻相差多少密切相關(guān)。

圖6、7是1693微秒每格的示波器上獲取的生瓜和熟瓜聲波波形，有經(jīng)驗(yàn)的人聽敲生瓜時(shí)感覺聲音“瓷實(shí)”，“噔噔”地響，說(shuō)明生瓜的音調(diào)高。熟瓜因內(nèi)里沙瓤、空間膨大而沉悶，音調(diào)低且音色豐富。

辨別人說(shuō)話及樂(lè)器發(fā)聲時(shí)，由于人的聲帶振動(dòng)頻率為85～1 100 Hz，聲帶振動(dòng)無(wú)固定的固有頻率，無(wú)法從音調(diào)和響度上確定是那個(gè)人，只能從音色上區(qū)分。樂(lè)器為了變調(diào)方便通常采用“等程音階”，全音的后一頻率是前一頻率的倍，半音的后一頻率是前一頻率的倍。音樂(lè)中C大調(diào)“1”（Do）音的頻率f1=264 Hz，高八度“i”音的頻率fi=528 Hz，相差一倍頻程；鋼琴最低音27.5 Hz，最高音4096 Hz。一種樂(lè)器可以演奏多種樂(lè)曲，同樣不能從音調(diào)和響度上區(qū)分樂(lè)器的種類，只能從音色上辨別。

為了更好地區(qū)分音調(diào)、響度和音色，現(xiàn)繪制表1，供老師和學(xué)生們?yōu)g覽，不當(dāng)之處敬請(qǐng)賜教。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 王柏廬）endprint