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，培養學生刻苦鉆研的創新意識.

關鍵詞：音調：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《聲現象》的第二節內容.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、響度和音色的.其特性中音調的決定因素頻率、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青年教師和莘莘學子們明辨音調、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.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；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，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與發聲體的結構、材料有關），μ表示單位弦長的質量（這與發聲體的弦長、橫截面積、材料有關）.正如二胡的發聲：調弦是改變T，弦越緊，張力越大，弦振動的頻率越快，音調越高.里弦粗，μ大，音調就低；用指法按弦，L就變化，指位越靠下，L越短，音調越高.管樂器分為開管、閉管兩種，頻率主要由管長決定，指法就是調節管長；鼓屬于膜振動，鑼則是板的振動.

音調是由物體振動頻率決定的，頻率高的音調高，頻率低的則音調低；而發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，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、由此產生的聲音叫基音）及許多基頻整數倍的高頻（由此產生的聲音叫泛音）組成.一般高頻部分的響度比基頻部分的響度小很多，而音調主要體現在聲音頻譜中的基頻基音部分，音色則體現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；也和發聲體所發出聲音的泛音個數、頻率分布、強度分布、距聲源的距離、聽者的年齡、經歷、心情環境等有關系.

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）相同即音調相同；音叉發出的是純音，鋼琴和長笛發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.

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

具體到敲瓷碗聽音辯好壞，大多數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：音調和音色皆有，相比之下，主要是根據碗的音調不同來判斷的，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，唐朝開元年間，洛陽有一姓劉的和尚，他房間內掛著一個磬.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，經過一番觀察，發現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”時就會發生共振現象）.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，就不會再跟大鐘發生共鳴了.

瓷碗有破損時，會造成缺一小塊或出現一些裂縫，其內部結構與好的不同，敲擊時它所發出聲音的音調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，音調降低；因此通過敲擊瓷碗辯好壞，音調為主、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，不難發現好碗的振動頻率明顯高于破損碗，音調區別是明顯的應該為主，音色區別只能次之，這與人教版教師教學用書的答案是一致的.

生瓜與熟瓜的音調不同，音色當然也不相同.但是人耳對音調與音色的區別是由先后次序的，既然基頻中的響度遠大于音色中的高頻成分，那么人耳首先區別的是基頻即音調有無差別；若此差別不大，人耳才會繼續區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.因此通過敲擊來區分生瓜和熟瓜主要還是音調的差別，音色即便有些作用也是次要的.另外不同人通過敲擊來區分生瓜和熟瓜還與人耳以及大腦中聽覺區域的結構和功能有很大的關系（即不同人對音調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，說明生瓜的音調高.熟瓜因內里沙瓤、空間膨大而沉悶，音調低且音色豐富.

辨別人說話及樂器發聲時，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，無法從音調和響度上確定是那個人，只能從音色上區分.樂器為了變調方便通常采用“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“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，同樣不能從音調和響度上區分樂器的種類，只能從音色上辨別.

為了更好地區分音調、響度和音色，現繪制下表，供老師和學生們瀏覽，不當之處敬請賜教.

音調（音階）響度（音量）音色（音質、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）.

聽聲感覺音調高：聲音清脆、尖細；音調低：聲音粗獷、低沉.響度大：震耳欲聾、嚇我一跳；響度小：輕聲細語、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