2018年2月26日

搞懂聲音的差異---看見聲音的長相

曾賢德/國立東華大學物理學系副教授。專長為光電物理實驗,喜歡自造實驗系統,興趣為探究實作科普推廣。



(shutterstock)

你可曾想過,當不同樂器彈奏出同一個音符時,為何聲音聽起來可以截然不同?你可以分辨笛子和吉他的聲音、男生跟女生的聲音,但可曾「看見」過這些聲音的波形與頻譜?跟隨我們,用電腦程式觀察聲音,動手玩幾個跟聲音有關的科學實驗吧! 

大自然中有著各種美妙的聲音。聲音是一種波動,除了用耳朵聽之外,也能透過麥克風將空氣中的聲波震動轉換成電壓變化。而電腦或手機上的音效卡則可將微弱的類比電壓訊號轉換成電腦裡的數位訊號,再透過電腦或手機應用程式將這些資訊呈現在螢幕上,即能看見聲音的波形。本文中,我們以電腦程式:音效卡示波器(Soundcard Oscilloscope)示範容易動手玩、跟聲音有關的科學實驗。

首先, 上到https://www.zeitnitz.eu/scope_en 這個網站下載與安裝Scope 程式[註一]。啟動程式後,程式介面上方選擇Oscilloscope(示波器)即可看到麥克風接收到的聲音波形。圖一中顯示的波形,是將一根喝珍珠奶茶的粗吸管在約20 公分長的位置處對折成閉口,然後用嘴巴在開口端吹氣時所發出的共鳴聲[註二]。從波形圖中橫向的時間軸可以看出,20 毫秒(20ms)時間內聲音主要震盪約8.5 次。也就是大約每秒425 次(425 Hz)。從這頻率跟吸管的長度,我們就可以推算出聲音的速度是大約每秒340 公尺喔!怎麼算的稍後再跟你說。

頻率最低的主要震盪,我們稱其為基頻(fundamental frequency)。除了基頻,圖一中的波形還有許多細雜的高頻振動。這些震動的振幅雖然比較小,卻很重要,他們構成了這根吸管的「音色」。若沒有不同的音色或聲紋,所有樂器的Do(middle C)音就都會是一模一樣的聲音。為了看清楚這個波形是由哪些頻率成分所構成,我們可以將波形透過傅立葉變換(Fourier transform) 將波形轉變成頻譜。別擔心, 電腦程式會幫我們做計算, 只要在示波器程式介面上方選擇Frequency(頻率),如圖二,就可以看到這吸管的聲音頻譜。......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】


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