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音疗知识普及:声音的三要素(图)
新闻来源:中国科学院    点击数:2173    更新时间:2013-12-09 17:02:57    收藏此页

      自然界中存在着各种各样的声音,能够听到的声音,叫做“可听声”。它大致分为三类:语言、乐声和噪声。体感音乐:让“身体"感知音乐无穷魅力!
       声音是怎样产生的呢?我们来看下面的实验。




图一




图二

       在一个扬声器的纸盆上放一些通草球。当扬声器发声时,通草球在“跳舞”。这说明扬声器发声时纸盆在振动。
       一切发声的物体都在振动着,声音是由于物体的振动而产生的。振动的物体叫做“声源”。
       把扬声器放进一个密封的玻璃罩内,然后把罩里的空气逐渐抽出来。随着玻璃罩里的空气越来越稀薄,扬声器的声音也越来越小,最后完全听不到了。这时扬声器纸盆上的通草球还在“跳舞”,说明扬声器还在发出声音(图二)。这个实验告诉我们,想听到声音,离开空气是不行的。这里空气是传播声音的媒质。实际上,水和其它许多液体,钢铁和其它许多固体也都能传播声音,它们都是传播声音的媒质。弹性媒质的振动引起我们的听觉,这就是声音。
       怎样描述一种声音呢?声学上是从“音调”、“响度”和“音色”三个方面进行的,它们统称为声音的三要素。


      一、音调


       在生活中,孩子的声音清脆响亮,成人的声音则比较低沉、浑厚。通常人们把声音的高低叫做音调。
       音调是由什么决定的呢?我们来做一个实验。在两个不同的音叉上各固定一根细钢针,使音叉发声,并用同样的速度匀速地在熏黑的玻璃板上移动,在移动时注意使钢针尖刚好和玻璃板接触。这样就得到了两个音叉的振动曲线(图三)。上边的曲线是由低音音叉得到;下边的曲线是由高音音叉得到的。比较这两条曲线可以看出:在相同的时间里低音音叉的振动次数小于高音音叉,即低音音叉振动得慢,高音音叉振动得快。也就是说低音音叉振动频率低,高音音叉振动频率高。





       实验表明:人对音调的感觉,是由声源的振动频率决定的。频率高,音调就高;频率低,音调就低。
       人的声带发出的声音,频率是在64赫兹(最低的男低音)到1300赫兹(最高的女高音)之间。可听声的频率范围大约在20—20,000赫兹之间。频率低于20赫兹的声音叫“次声”;高于20,000赫兹的叫“超声”。次声和超声都是人耳听不到的。


      二、响度(音量)


       飞机的起飞声震耳欲聋,而蚊子声,只有当它飞到耳边时才能听到。生活中,人们通常把声音的强弱程度叫做“响度”。在音响设备中,声音的大小是由“音量”旋钮控制的,因此“响度”也叫做“音量”。
       用橡皮锤重重地敲一下音叉,发出的声音响度大;轻轻地敲一下,发出的声音响度小。如果按照前面的实验方法,在熏黑的玻璃板上分别记录下音叉的振动情况,可得到图四所示的两条振动图线。比较这两条图线可以看出,音叉的振动频率不变,但振幅不同:声音强时,振幅较大,声音弱时,振幅较小。
       声源的振幅越大,声波传递的能量越多。在声学中,把单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量叫做“声强”,单位是瓦特/米2。人对响度的感觉,实际上与“声强”这个物理量有关。人耳能听到的最小声强约10-12瓦特/米2,能忍受的最大声强约1瓦特/米2。由于声强变化范围很大,数量级可以相差很多,因此通常用它的对数表示,叫做“声强级”,单位是“分贝”。
       各种声源发生的声音的声强级和所对应的响度,如表所示。需要注意的是,“响度”虽然与“声强”有关,但不能用“声强”来代替。因为“响度”是从生理角度提出的人对声音的主观感觉的量,不同的人对同一声音的响度感觉是不同的,高音喇叭使一般人感到难受,但耳聋的人却感觉它的响度正常。“声强”则是一个客观量,不依人的感觉而改变。








      三、音色(音品)


       在许多人同时讲话的嘈杂声中,我们可以听出朋友的声音;不同的乐器,即使它们发出的声音音调和响度都相同,我们凭听觉也可以把它们区分开来。这是为什么呢?
       原来,生活中的许多声音并不是单一频率的纯音,而是由频率和振幅各不相同的许多纯音组成的复音。
       图五所示为100赫兹钢琴声和黑管声的振动图象。
       我们还可以把组成复音的每一个纯音在以频率为横坐标、振幅为纵坐标的图上表示出来,这种图叫做“声谱图”(或叫做“频谱图”)。每个声谱图表示一个复音。图六所示为100赫兹的钢琴声和黑管声的声谱图。从图中可以看出,它们的基音都是100赫兹且振幅大体相等。但是泛音各不相同。
       声谱图对分析声音有重要作用。正是由于每种乐器有着自己独特的声谱,我们才能把它的声音从众多乐器声中区别出来。因此可以说,声谱决定了声音的音色。
       根据某种乐器的声谱图,可以用人工的方法合成一种近似的声音来模仿它,这便是电子乐器的基础。根据人的语言声谱,也可以用人工的方法来合成一种“人造语言”,这便是语音识别系统和音控计算机的基础。





图五




图六

      四、展品介绍


       中国科学技术馆的“音调、响度和音色”展项的声源有两个,一个是操作台上的电子琴;另一个是话筒。观众可以用它输入自己的声音。显示部分有两种表示方法。一种是用示波器,当一个声音输入时,它的屏幕上便显示出这个声音的波形。响度越大的,波形的振幅也越大;频率越高,曲线越密集,表示这个声音的音调越高。选用不同的乐器,按同一琴键,波形不同。因此波形代表音色。
       另一种表现方法是面板上方由发光二极管组成的坐标平面,它表示某一时刻声音的声谱。纵坐标代表响度级,响度越大,谱线越高,横坐标代表频率。不同的声音,基音的位置和响度不同,泛音的个数、频率和响度也不同。观众可以从声谱图大致了解这一声音是由哪些成份组成的,从而理解人耳为什么能区别开不同的乐器声和语音。坐标的右下角,还同时用数字显示出声音和基频频率数值,单位是赫兹。
       这个展项生动、直观地展示了声音的三要素,并有悦耳动听的琴声配合,深受观众喜爱。

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