辨析聲音的三個特性

劉洪群

摘要：在學生學過《聲音的特性》后，每當面對敲碗、敲瓜、叩診、聽診器等問題請教老師時，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？本文將通過深層次的理論探究、古今例證、實驗檢測，讓學生在一覽眾山下輕松得以鑒別；同時也促進學生理解探究的真諦，培養(yǎng)學生刻苦鉆研的創(chuàng)新意識.

關鍵詞：音調(diào)：音色：難分伯仲

《聲音的特性》是人教版八年級物理課本第二章《聲現(xiàn)象》的第二節(jié)內(nèi)容.教材是通過演示實驗（可改為學生小組合作探究），示波器示波及計算機模擬聲音的波形來學習和認知音調(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)聲體的材料與結構也是明顯的.然而每當學生面對敲碗、敲瓜、敲車輪、敲鐵軌、叩診、聽診器等題目請教老師時，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，特別是對新入職的青年教師更是一頭霧水，本文通過深究聲音的特性以鄉(xiāng)青年教師和莘莘學子們明辨音調(diào)、音色和響度的愿望.

我們通常說的“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.《聲音的特性》里不包含次聲和超聲部分.

聲音的發(fā)源地叫“聲源”：任何做機械振動的物體，均可在周圍的彈性介質(zhì)中激起彈性波，若頻率在16～20000Hz之間（中學課本給定20～20000Hz，以后按此敘述），它就是一個聲源.若頻率低于20HZ則為次聲源，頻率高于20000Hz則為超聲源，次聲和超聲均不在可聞聲范圍內(nèi).樂器中管、弦、膜、板的駐波振動就是常見的聲源.

以兩端固定弦的振動為例，端點是波節(jié)；振動是由各種可能的駐波所合成，最長成分波的波長等于弦長的兩倍，兩端是相鄰波節(jié)，相應的振動頻率最小，稱為基音頻率；其它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=12LTμ.式中L表示弦長，T表示弦的張力（T與發(fā)聲體的結構、材料有關），μ表示單位弦長的質(zhì)量（這與發(fā)聲體的弦長、橫截面積、材料有關）.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.管樂器分為開管、閉管兩種，頻率主要由管長決定，指法就是調(diào)節(jié)管長；鼓屬于膜振動，鑼則是板的振動.

音調(diào)是由物體振動頻率決定的，頻率高的音調(diào)高，頻率低的則音調(diào)低；而發(fā)聲體的固有振動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)，純音沒有音色，復音才有音色的不同.

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、聲壓及聲音的時間特征有關系；也和發(fā)聲體所發(fā)出聲音的泛音個數(shù)、頻率分布、強度分布、距聲源的距離、聽者的年齡、經(jīng)歷、心情環(huán)境等有關系.

從圖1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，鋼琴和長笛發(fā)出的復音聲波在基頻的基礎上還附加了一些小的振動，這些小的振動和大的振動一同決定了鋼琴和長笛的音色.

宏觀上看音調(diào)的決定因素是頻率，細分之處聲源的固有振動頻率與發(fā)聲體的結構和材料有關；音色也與發(fā)聲體的材料及結構有關.因此音調(diào)與音色存在交叉關聯(lián)部分，難以區(qū)分是必然的.

具體到敲瓷碗聽音辯好壞，大多數(shù)老師目前給學生講的依然是音色，而人教版的教師教學用書（2005年6月第2版，2005年8月第3次印刷）第49頁的答案確是：音調(diào)和音色皆有，相比之下，主要是根據(jù)碗的音調(diào)不同來判斷的，十幾年了未能改變老師們的思維定勢.在敲瓜辯生熟的問題上，更是清一色的認為音色是主要的，即便老師們進行集體教研討論，也是公說公的理、婆說婆的理，誰都無法說服對方.

下面的一個事例可能對老師們有所啟發(fā)，唐朝開元年間，洛陽有一姓劉的和尚，他房間內(nèi)掛著一個磬.有一天，劉和尚沒有敲磬，磬卻自動響起來了，這使他大為驚奇.他的一位好友曹紹夔精通音律，聞訊前來探望，經(jīng)過一番觀察，發(fā)現(xiàn)每當寺院里的鐘響起來時，劉和尚房里的磬也跟著響了.于是曹紹夔拿出銼來把磬磨去幾處，從此磬就不再自鳴了.曹紹夔說：“這個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，這個磬就跟著響起來（當策動力頻率等于或接近固有頻率且“合拍”時就會發(fā)生共振現(xiàn)象）.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候，這個磬就不再跟著響了；曹紹夔所說的“律”，就是我們所指樂器的“頻率”，把磬銼了幾下，磬的結構變了，磬的頻率自然就變，磬的頻率和大鐘不相同了，就不會再跟大鐘發(fā)生共鳴了.

瓷碗有破損時，會造成缺一小塊或出現(xiàn)一些裂縫，其內(nèi)部結構與好的不同，敲擊時它所發(fā)出聲音的音調(diào)和音色與好的都不相同.由于破損瓷碗原來振動的完整圓軌被破壞，使得振動的部分變長，造成頻率變慢，音調(diào)降低；因此通過敲擊瓷碗辯好壞，音調(diào)為主、音色為輔.實驗室里的音叉由于銹蝕、磕碰會造成頻率的改變，不易完成共鳴現(xiàn)象，這也是教師在實驗時需要考慮的技術問題.

圖2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)好碗的振動頻率明顯高于破損碗，音調(diào)區(qū)別是明顯的應該為主，音色區(qū)別只能次之，這與人教版教師教學用書的答案是一致的.

生瓜與熟瓜的音調(diào)不同，音色當然也不相同.但是人耳對音調(diào)與音色的區(qū)別是由先后次序的，既然基頻中的響度遠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)有無差別；若此差別不大，人耳才會繼續(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，于是人耳對音色的差異就不敏感了.因此通過敲擊來區(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.另外不同人通過敲擊來區(qū)分生瓜和熟瓜還與人耳以及大腦中聽覺區(qū)域的結構和功能有很大的關系（即不同人對音調(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.endprint

圖3是1693微秒每格生瓜和熟瓜聲波波形，有經(jīng)驗的人聽敲生瓜時感覺聲音“瓷實”，“噔噔”地響，說明生瓜的音調(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.

辨別人說話及樂器發(fā)聲時，由于人的聲帶振動頻率為85～1100HZ，聲帶振動無固定的固有頻率，無法從音調(diào)和響度上確定是那個人，只能從音色上區(qū)分.樂器為了變調(diào)方便通常采用“等程音階”，全音的后一頻率是前一頻率的62倍，半音的后一頻率是前一頻率的122倍.音樂中C大調(diào)“1”（Do）音的頻率f1=264HZ，高八度“1”音的頻率f=528HZ，相差一倍頻程；鋼琴最低音275HZ，最高音4096HZ.一種樂器可以演奏多種樂曲，同樣不能從音調(diào)和響度上區(qū)分樂器的種類，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)繪制下表，供老師和學生們?yōu)g覽，不當之處敬請賜教.

音調(diào)（音階）響度（音量）音色（音質(zhì)、音品）

物理意義聲音的高低聲音的強弱聲音的特色

決定因素①頻率；②結構與材料（結構為主）.①振幅；②聽者與聲源的距離（振幅為主）.①材料；②結構（材料為主）.

聽聲感覺音調(diào)高：聲音清脆、尖細；音調(diào)低：聲音粗獷、低沉.響度大：震耳欲聾、嚇我一跳；響度?。狠p聲細語、我聽不見.音色美：你的聲音有磁性；

古琴聲：幽雅、空靈、飄逸.

鑒別舉例①敲瓷碗聽聲辯好壞；

②中醫(yī)里的“叩診”；

③敲西瓜辯生熟；

④敲鐵軌找松動螺母；

⑤“湄嶼潮音”的慢咽管弦，如絲如訴；

⑥帶與不帶蜜的蜜蜂；

⑦快進磁帶的聲音；

⑧敲或吹同樣玻璃瓶裝不同水的聲音；

⑨往保溫瓶里倒水；

⑩“海豚音”；

B11此曲只應天上有（指旋律）.

①中國海監(jiān)8002船153分貝的強聲炮；

②飛機高速飛行時聽到的“音爆”；

③“獅吼功”；

④“引吭高歌”；

⑤“低聲細語”；

⑥上課了請安靜；

⑦牛聲大蚊子聲小；

⑧聽診器診斷病情；

⑨擴音器擴音；

⑩用喇叭筒喊話；

B11嘴貼耳邊“竊竊私語”.

①聽其聲知其人；

②吹銀元聽音辯真假；

③聽音辯樂器種類；

④“口技”模仿各種聲音；

⑤倒轉唱片的聲音；

⑥“狼外婆”的聲音；

⑦詐騙分子的“變聲器”；

⑧錦城“絲管”日紛紛；

⑨胡琴琵琶與羌笛；

⑩《百鳥朝鳳》中的各種鳥聲.

B11你唱的真好聽（指音質(zhì)甜美）.

參考文獻：

[1]顧建中.力學教程[M].高等教育出版社，1979.

[2]課程教材研究所物理課程教材研究中心.教師教學用書（物理八年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2005.

[3]課程教材研究所物理課程教材研究中心.八年級物理（上冊）[M].北京：人教育教育出版社，2012.endprint