【劉教授專欄】聲音的基本特性/聲音的種類 - 劉育成教授－EATD電聲產學技術發展與驗證聯盟

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

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 Hz到20k 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 Hz加700 Hz的複合音型態，這兩個頻率沒有任何倍數的關係，波形如圖五左邊所示，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，如圖五右邊所示，500 Hz加700 Hz有兩根，代表原始波形有500 Hz與700 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 Hz、1000 Hz及1500 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 Hz、1000 Hz及1500 Hz，第二個是1000 Hz、2000 Hz及3000 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。