SC:声音

密度的峰谷

途经一个媒介密度的峰谷:这是声音的本性。声音或震动可以在任何材料上发生。震动是材料交互的压缩和解压缩:就像池塘表面的涟漪。峰意味着更高的密度,谷则是更低的密度。当声音被生成(假设从一个扬声器),前移的动作创造波峰,后退的动作创造波谷。前移压缩空气,后退解压之。

模式,噪音,周期

我们在自然环境中被各种模式包围。事实上,我想不出有什么不包含任何周期元素的自然进程(就算是那些不产生声音的):鸟、海浪、闪电、月相,等等。具备重复模式的声音被说成是具周期性的。每次重复即一个周期或一个循环。具有我们很难辨识的复杂模式的波是非周期性的。声音范围从完美周期到极端非周期的是连续的,声音在那个连续的过程中的任何地方都有可能减弱。

我们同样可以用眼睛看到模式并将它们解释为脸、树、草等等。我们用基本一致的方式解释声音。我们找寻模式或结构,并用诸如小提琴、飞机、急流等真实的现象与那个模式匹配。下边是三种不同周期的波的图示。第一个有很清晰的模式,第二个较复杂,但仍透露着一定模式,第三个看起来则全无模式可言。

波形
波形:周期波,复杂模式,无模式

具备周期波模式的声音听起来或多或少都像乐音。模式越清晰,音的特点便越清晰。模式的缺乏,将接近噪音。我说“接近”因为纯粹的噪音是理论上的抽象概念,就像无穷。这我们稍后再说。在电子创作和合成领域,噪音即没有明显模式的波。(对于录音室师来说,噪音是任何不想要的声音)

一秒内波完成其周期的次数即波的频率,用赫兹表示,或循环。

频率

频率是声音的第一维。它是一个周期波每秒循环的次数。在音乐上,频率与音高等同。频率的物理范例是琴弦或乐器身体的震动。钢琴上的中央C的频率大概每秒261次循环。钢琴最低音大概50Hz(赫兹 = 每秒的循环),最高音大概4000Hz。人类能听到20kHz那么高的音。听觉能力的低档需要条件。我们可以听到频率低至每秒一次脉动,甚至每小时一次或一年一次的边缘锋利的波。我们同样可以感觉到频率低至每分钟1次的平滑波。但脉动开始混合为一个同质(homogenous)音的点,便是绝大多数课本认为的听觉低档。因此,就算理论上,并不存在可听频率的低限,音开始于大概20Hz。我们通过缩短一根弦,增加震动体的能量,或绷紧我们的声带以改变频率。

旋律由连贯的频率构成。和声是同时发生的频率。如果基于数学联系起来,那么频率听上去便像音乐一般。我们用音程形容这些联系,使用比如八度,五分之一,小三等等这些条款。音程不是绝对的,而是相对的。(绝对测量的例子是1英尺,1升,1盎司。相对测量是两倍远,一半多,五分之三)因此音程,并不是频率的特定区别,而是基于一个给定频率关系的计算:2倍高,1.5倍高。以Hz的实际距离随开启点改变。在440之上的一个八度(2:1比率)是880(2×440):440Hz的一个不同。但1200之上的一个八度是2400,1200的一个不同。比率稍后详述。

相位

周期波同样可以依相位度数进行测量。相位描述在循环内波进行的远近:就像月相。波从0度开始,180度是循环的一半,360度是一个完整的循环。一个波的相位改变常常不会影响我们如何感知声音。但相位一定会影响两个波的相互作用。

振幅

声音的第二维度是振幅,即峰的高度和谷的深度。音乐上,振幅的等价物是音量。振幅的物理范例即扬声器椎体的前后移动。振幅的测量以db(分贝)表示。我们通过用更大的能量推动震动体来增加振幅。

我们以db测量声音。像音程,分贝测量相对振幅,而不是绝对的:没有刚好10db的东西,但可以比原来高10db,或者你可以降低振幅10分贝。说一架喷射机引擎120db是不准确的,但你可以说它比沙沙的树叶声高120db。

概括地说,你可以接受的最静的与最响的声音间的差值是120db。动态的一级(比如,中强到强)大概7db。

和声结构

和声结构,声音第三维,是上部和声(upper harmonic)的存在和力量。音乐上,和声结构的等价物是音色。音色的图形表述是波形。总体来说,亮的声音,峰谷将具有更锋利的边缘。暗的声音将具有更平滑的形状。明白我们听到的确定频率的声音常常是那个音及其倍数的混合物:一系列可以跨越2000Hz的频率。越亮的声音将具备更多这些更高的频率(更宽的范围),越暗的则越少。

没有用于音色的标准测量。我们用运唇法、吹奏的角度、我们的嘴形、更换乐器来改变音色。

下面的图释(竖线是频率)展示了钢琴、尼龙弦吉他、合唱(数码)和铃在同一振幅下演奏同一个音。它们的区别仅是音色,这是上层和声结构的一个例证。

频率图表
频率图表

声音属性:速度和波长

声音的速度依靠温度、海拔和大气密度,但在这个类里边,你可以使用每秒1000尺,每.1秒100尺,每.01秒10尺。一个波的长度由速率或速度除以频率计算,因此它同样依靠气候状况。但如果我们使用每秒1000尺,一个100Hz的波(大概是G3,适于男声演唱的调)大概是10尺(1000/100)。1000Hz的波(大概是C6,女高音及许多乐器的上层范围)大概1尺(1000/1000)。音A 440大概2.2尺(1000/440)。波长和速度对弄懂回声、混响、相位取消、适当的麦克风和扬声器放置都很重要。

乐器表现力

绝大多数乐器都可以控制这三个维度。改变它们也便使得乐器更富表现力。越多的控制和潜在改变,乐器表现力越强。比如说,钢琴长时间以来被认为是主要的乐器,因为它允许演奏者控制和改变振幅,因此增加了它的表现力。键盘合成器当它们包括了加权和压感按键时进行了一次跃进。

人声具备对于振幅和调的精确控制。但它在音色上的控制比任何乐器都强。它是如此精确和多变,它不仅能交流音乐方面的想法(音符,和弦,旋律),而且还能交流复杂和准确的哲学、宗教、情感和爱国的观点:音色的改变构成演讲。

语言是音色修正的典型。所有演说来自我们对嘴、舌、鼻腔的塑形以改变上层和声的动作。除了演说,不同的人声也由上层和声的存在和力度决定。

演讲频谱
演讲频谱

上图是一个女人说”four score and seven years.”时的频谱。X轴是时间,Y轴是频率。图的开始随发音在12800 Hz, 6400, 3200, 1600, 800, 400, 200, 和 100闪动。“s”在6400~12800的范围。元音是200~1600间的肥厚肋状物。注意元音实际上是由互相联系的频段构成的。seven和years中的“e”有更高的频段。注意发“r”音时,当麦克靠近她的嘴时,上层和音的改变。

增加、移除,或改变上层和声的振幅将改变波形进而改变音色。更多的和声将造就一个更锋利的波,并将得到更亮的声音。

下边的图释展示了上述三种不同属性的波形。第一个比第二个响。第二个比第一、第三个的音更高。第三个在其相位中的180度。第四个将比其他的更亮。最后一个是复杂的周期波的例子。

振幅、频率、音色、相位图形化表述
振幅、频率、音色、相位图形化表述

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