人的生活環境中,時時刻刻都存在著不同的聲音,不管您喜不喜歡,不管它好不好聽,根據這些無時不在地聲音,我們可以依其不同的特性,來做一個簡單的分類。常見的種類分成四種,分別依聲音的內容、聲音的週期、聲音的頻率及聲音的頻譜方式來分類。

    首先依內容來分類,最主要的說明是依聲音的來源,第一個是大自然發出的聲音,包跨風吹聲、流水聲、下雨聲,這些來自於大自然環境所彈奏出來的聲音型態,它的運動型態並不是像週期變換的規律,有時聽起來讓人舒服放鬆,這種聲音稱之為自然音(Nature Sound)。第二個樂音,所謂的樂音在一定的週期下以相同的波形或相同的型態,反覆發出的聲音,這反覆周期的聲音聽起來非常的悅耳,就好像是各種樂器所彈奏出來的聲音,因此稱之為樂音(Music)。第三個非樂音,簡單來說就是樂音以外的聲音就稱之為非樂音,例如人的聲音就稱之為非樂音的一種。最後一個噪音(Noise),簡單來說就是您聽起來不開心、不悅耳或是不喜歡的聲音,就稱之為噪音。但是這裡面就包含主觀認定的差異,例如哈雷的機車。以上四種就是根據聲音的內容來做分類。

    第二種是根據周期來分類,甚麼叫周期,根據聲音隨時間變化的規律性來做分類,包含週期性聲音,就是時間軸上反覆的聲音;第二個為非週期性變化的聲音,稱為非週期性的聲音,找不出一個規律;第三個脈衝的聲音,就是常見的impulse的聲音,這種聲音指在非常短的時間內聲音量質有非常大的變化,這種聲音型態稱之為脈衝的聲音,例如拍手、敲擊聲,這些都屬於脈衝聲。本文著作權屬劉育成所有,禁止轉載。

 

圖一

 

    第三種依頻率做分類,所謂的頻率指一秒鐘之內,聲音訊號週期性的聲音訊號變化的數目,當頻率越大,代表這一秒鐘週期變化的數目就越多,那何謂人耳聽到的頻率呢?指的是人耳的耳膜,受到外部音壓作用之後,一秒鐘之內隨之振動的能力。根據這個頻率,可以細分為三種不同的區段,最主要是以人耳可聽到的聲音頻率範圍20 Hz20k Hz 當作我們的基礎,此頻段稱之為【可聽聞聲】,也是人耳正常的聽力範圍。低於20 Hz的聲音稱之為超低音,或稱之為刺聲,是人耳聽不到的低頻聲音。那大於20k Hz來說,人耳也聽不到,但是人耳聽覺上會有一點感觸,或是有一點刺痛的感覺,此頻段稱之為【超聲、超音波(ultrasonic)】。這就是常見在頻率上分為三個區段,超低音、可聽聞聲還有超音波。本文著作權屬劉育成所有,禁止轉載。

 

圖二

 

    第四種根據頻譜來做區分,甚麼叫做頻譜?透過傅立葉轉換,將原本屬於時間變化的複雜時間波形、聲音波形,移散到各個頻率上面,並且以橫軸為頻率軸所繪製出來的圖形,稱之為頻譜。如圖x所示,左邊是時間軸,在時間domain上面只有時間波形,橫軸為時間軸,縱軸為波的大小,假設此為200 Hz 的頻率,大小是為100,那根據傅立葉轉換,將原本複雜的時間波形離散到各個頻率上面,那這是一個單頻200 Hz 的週期時間訊號,所以當離散到頻率上面,會在200 Hz頻率上有一個值為100,這在頻率上面所顯示出來,各個不同聲音訊號分布的聲音型態稱之為頻譜(Spectrum)

 

圖三

 

    依頻譜來做聲音訊號的分類,首先有純音(Pure Tone),指的是單一頻率所發出來的聲音,這個頻率屬於週期正弦波的聲音型態,自然界沒有這個聲音,只有音叉才有這個聲音,大家在做鋼琴或樂器調音時用的音叉,只有音叉所發出的聲音才是Pure Tone。如圖四所示,時間波形假設是500 Hz,以橫軸當作頻率,500 Hz顯示一個值,因為沒有其他頻率加入到這個波形裡面,因此不會看到任何的值產生,在頻譜上面只會非常單純出現500 Hz這個值。本文著作權屬劉育成所有,禁止轉載。

 

圖四

 

    何謂複合音?為幾種不同頻率的聲音所合成的聲音,頻率之間不需要有任何倍數的關係,例如:500 Hz700 Hz的複合音型態,這兩個頻率沒有任何倍數的關係,波形如圖左邊所示,非常複雜。跟純音的波形來比有很大的差異,理論上來說,到頻譜上應該可以看到兩個數值的表現,如圖右邊所示,500 Hz700 Hz有兩根,代表原始波形有500 Hz700 Hz所疊加而成,其他頻率無貢獻。總而言之,時間上面有各種頻率疊加而成,實際上根本看不出來有哪些頻率疊加,但是透過傅立葉技巧,離散到頻譜上面的時候,卻可以很清楚地把原本時間波形上複雜的頻率疊加型態分離出來,即可以清楚看到這個複雜部分是由哪幾個頻率所疊加而成,就是我們常用的FFT。所以任何一種噪音訊號、任何一種聲波型態,基本上都會來分析頻譜,因為從頻譜上面才會看到實際的貢獻。

 

圖五

 

    第三個單音(Single Tone),何謂單音?是由一個基本音及其整數被頻率的倍音,所合成的聲音。例如:有一個500 Hz1000 Hz1500 Hz三個頻率所合成,這三個頻率之間有倍音的關係,而且是整數倍的關係,我們把最低的頻率500 Hz稱之為基頻波或基波(Fundamental Wave),除了基波之外的頻率稱之為諧波(Harmonic wave),針對不同的諧波我們可以分類為偶次諧波與奇次諧波,如圖x左邊所示,這個圖形更為複雜。想當然爾在頻譜上面也會有三個貢獻的型態,如圖圖x右邊所示。本文著作權屬劉育成所有,禁止轉載。

 

圖六

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    第四個調和音(Harmonic Tone),何謂調和音(Harmonic Tone)?就是所謂的合聲,指的是幾個單音合再一起,使每個基本音的頻率都成為比較簡單的整數比,並且可給予人一種調和的音感,頻率之間基本都有一個簡單的整數比,這樣的聲波可以給人一種調和的音感。如圖x左邊所示,有兩個不同的頻率,第一個是500 Hz1000 Hz1500 Hz,第二個是1000 Hz2000 Hz3000 Hz,頻率一是個單音,頻率二也是個單音,這兩個單音彼此間也是呈倍數的關係,這樣的型態我們稱之為調和音。如圖x右邊所示,頻譜上面可以看到頻率一與頻率二單一所形成的頻譜是越來越複雜,這就是以頻譜作為聲音種類的分類。

 

圖七

 

 

 

逢甲大學劉育成教授口述

助理:吳姝蒨編輯

 

 

 

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  • Mick
  • 感謝您的整理, 正好在做聲學頻譜研究, 受益匪淺