秋妍信息科技 2022-06-21 09:29:05 43 0
在录制与重放技术愈臻成熟的年代，音乐俨然已成为生活中不可或缺的一部分 。沉浸在音乐带来的美好同时，是否曾经想过，声音是怎么来的？为什么音调会有高低之分？
声音的产生，源自于物体受力产生振动。小时候上自然课曾接触过的音叉，可清楚地说明声音构成的要件。敲击时，音叉连续来回振动挤压了周围的空气分子（如下图）。
当音叉向外 扩张时，挤压外侧空气形成密部，空气压力变大;音叉向内收 缩时，外侧空气较为稀薄形成疏部，空气压力变小。当这个疏密波透过外耳及中耳组成的传声系统传递到我们的内耳，经由 听觉神经传达到大脑解读后，便成为我们听到的声音。
物体振动的幅度（振幅）越大，声音就越大。声波的频率即为一秒内物体振动的次数，单位为赫兹（Hz）。若物体一秒振动 440 次，该声波的频率即为 440Hz。频率的高低反应在人的主观听觉上即为音调的高低。频率越高，音调越高，反之则音调越低。
人耳可以感知的频率范围大约是 20Hz 到 20,000 Hz（或记为 20kHz），光看数字可能没有感觉，若是以比例来看，听觉频率的下限和上限足足差了 1,000 倍。在如此广大的频率范围内，为了能互相沟通，聪明的人类替常用的频率取了一串洋名字 ─ C、D、E、F、G、A、B ─ 。
看到这边，可能会产生疑问：频率范围这么宽，七个名字就够了吗？这个问题的答案可得从公元前说起。在很久很久以前，有个聪明的希腊男人，姑且称他为小毕。身为数学家的他不但发现了鼎鼎有名的「勾股定理」，同时也是个音乐理论家。他发现当频率增加一倍或减少一半的时候，音调听起来虽有高低之分，但感觉极为相似。在现代，便将频率相差一倍的二个音符之间的距离称为一个「八度」（octave），即钢琴上八个白键的距离。既然听起来很像，名字都叫 A 也是很合理的。又为了区分比较高的 A 和比较低的 A，于是有了 A0、A1⋯⋯A8 等名称。经过一段百家争鸣、各执一词的时期， 现在国际普遍认定中央 A（A4）的频率为 440Hz。音名与频率的对照表如下方表格所示。
了解到频率的不同构成音调的高低后，可以进一步思考，为什么钢琴与小 提琴弹奏同样音调时，耳朵能够轻易分辨两者的差异而不会混淆?为什么同 一段旋律，由周杰伦和费玉清演唱，却有不同的特色?为什么有些人音色粗犷，有些人柔美，有些人清亮?
只有单纯的音调，并不足以构成丰富美妙的音乐世界，「音色」在音乐里 扮演举足轻重的角色。接下来，将更进一步介绍音色的构成要素。
在自然界中，极少声音是由单一频率组成的。物体在振动发声时，产 生的声波大多是数个频率迭加构成的复合波。基本频率（Fundamental Frequency，简称「基频」）是指一个复合波中的最低频率，这决定了该声波的音高。在自然界中，基频通常会是复合波中能量最大的频率。基频以外的频率称为「泛音」（Overtone，也称为「倍音」），通常为基频的整数倍。（请参考下图）不同发声体产生的泛音其能量比例皆不相同，这些不同频率的声波相互迭加，形成独特的波形，是决定音色的关键因素。
以钢琴为例，当我们在钢琴上弹奏中央 A 时，除了发出 440Hz 的频率，也 会伴随 880Hz、1,320Hz、1,760Hz⋯⋯等泛音列，泛音数量可多达十数个。
上图为钢琴弹奏中央 A 时的频率与能量关系图及波形，440Hz 为基频，其能量为所有频率中最高的，880Hz 称为第一泛音，1,320Hz 与 1,760Hz 则分别为第二泛音及第三泛音，以此类推。
每一种声音都有其独一无二的波形，音叉的波形很接近单一频率，泛音的能量极低，音色单纯，小提琴的高次泛音较突出，音色高亢明亮。就算是同一种乐器，本身的泛音比例也不尽相同，正是那波形的些许差异造就了所谓的百万名琴。前页图中列出一些常见乐器的波形，用耳朵聆听声音的同时， 也可用双眼看看声音的模样。
有了频率与泛音的概念后，以下将更进一步介绍频率与单体、乐器之间的关联。上图列举了完整的音名与频率对照表，以及常见乐器和各类单体的发声频率范围。线段的起点与终点分别代表该乐器基频的最低频率与最高频率。举例来说，吉他的线段起点是 E2，线段终点是 G5，则代表吉他基频的最低音为 82.41Hz，最高音为 784Hz。
由上图可知，单体的频率范围有部分是重迭的。需特别注意的是，本图表列出的只是单体大致的频率范围，并非绝对值，实际上各类单体的频率范围会因各家厂商的设计而有所不同。
标准的 88 键钢琴涵盖完整的七个八度音。最低音为 27.5Hz，音名为 A0；最高音为4,186Hz，音名为 C8。一般乐器的发声频率都不出这个范围。我们 将 20Hz 至 20,000Hz 分为五个频段，分别是极低频、低频、中频、高频以及极高频。以下将简略介绍这五个频段对应到的乐器、单体种类及听感差异。
极低频（20Hz-40Hz）
极低频对应的音域为 E0-E1。可以下探到这个音域的乐器很少。一般而言，作曲家也不会在这个音域作曲。这个频段的声音主要不是用来听的，而是用身体去感觉，是轰隆隆震撼感的来源。一般在电影中常见的爆炸、地震、雷鸣等音效都会下探到这个音域。这个频段主要由超低音单体负责发声。除非是要享受震得像坐按摩椅一样的超低音震撼，否则聆赏音乐不需要花大钱买 到超低音单体。
低频（40Hz-160Hz）
低频对应的音域为 E1-E3。在乐团中主掌低音的乐器都可发出这个频段的声音。例如大鼓、低音提琴、巴松管、低音大号及男低音。低频表现主要由超低音单体与低音单体负责发声。
一般人常会误解低频越多越好，事实上，好的低频应该拥有准确的音调与清晰度。当低频过多时，只会听到一片模糊低沉的响声，缺乏清晰的音调与节奏。虽然还是听得到低音，但却无法与正在播放的音乐产生链接。然而，若是低频过少，音乐听起来会显得清瘦且黯然，就像少了梅子的西红柿，失去柴鱼的昆布。若想重现管弦乐团磅礡的气势，喜欢摇滚乐与爵士乐活泼明快的节奏感，这个频段的表现至关重要。
中频（160Hz-2,630Hz）
中频对应的音域为 E3-E7。这个频段除了涵盖几乎所有的乐器及人声，影响音色甚巨的低阶泛音亦包含在内。中频低段（约 250Hz-500Hz）过多，声音听起来会闷闷的，像是捂着嘴巴说话。中频中段（约600Hz）过多则听起来会有鼻音，像是捏着鼻子说话。中频若是太少，声音听起来会显得生硬、尖锐刺耳。中频主要由低音单体及中音单体负责发声。
