辨析声音的三个特性

刘洪群

摘 要：在学生学过《声音的特性》后，每当面对敲碗、敲瓜、叩诊、听诊器等问题请教老师时，不同教师的答案却是不同的。究竟是音调起主要作用还是音色为主呢？本文将通过深层次的理论探究+古今例证+实验检测，让学生轻松得以鉴别；同时，也促进学生理解探究的真谛，培养学生刻苦钻研的创新意识。

关键词：声音；音调；音色；响度；辨析特性

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）12-0059-3

《声音的特性》是人教版八年级物理课本第二章《声现象》的第二节内容。教材是通过演示实验（可改为学生小组合作探究），示波器示波及计算机模拟声音的波形来学习和认知音调、响度和音色的。其特性中音调的决定因素频率、响度的决定因素振幅和音色的决定因素发声体的材料与结构也是明显的。然而，每当学生面对敲碗、敲瓜、敲车轮、敲铁轨、叩诊、听诊器等题目请教老师时，答案却是不同的，甚至不同的教辅材料或者不同地区的中考答案也各不相同，特别是新入职的青年教师更是一头雾水。

我们通常说的“声音”：是指人类能够听到的“声”，也就是可闻声。而声则包含着次声波、超声波和声音。《声音的特性》一节里不包含次声和超声部分。

声音的发源地叫“声源”：任何做机械振动的物体，均可在周围的弹性介质中激起弹性波，若频率在16～20 000 Hz之间（中学课本给定20～20 000 Hz，以后按此叙述），它就是一个声源。若频率低于20 Hz则为次声源，频率高于20 000 Hz则为超声源，次声和超声均不在可闻声范围内。乐器中管、弦、膜、板的驻波振动就是常见的声源。

以两端固定弦的振动为例，端点是波节；振动是由各种可能的驻波所合成，最长成分波的波长等于弦长的两倍，两端是相邻波节，相应的振动频率最小，称为基音频率；其他频率为基音频率的整数倍，称为谐音频率（也叫泛音频率）。

弦的基音频率可由下式而定：f=。式中L表示弦长，T表示弦的张力（T与发声体的结构、材料有关），μ表示单位弦长的质量（这与发声体的弦长、横截面积、材料有关）。正如二胡的发声：调弦是改变T，弦越紧，张力越大，弦振动的频率越快，音调越高。里弦粗，μ大，音调就低；用指法按弦，L就变化，指位越靠下，L越短，音调越高。管乐器分为开管、闭管两种，频率主要由管长决定，指法就是调节管长；鼓属于膜振动，锣则是板的振动。

音调是由物体振动频率决定的，频率高的音调高，频率低的音调低；而发声体的固有振动频率又是受多种因素的制约。

音色：是听者所感觉到声音的特色。也称为音品和音质，纯音没有音色，复音才有音色的不同。

一種声音就是一系列声波频率的组合（这一组合通常称为频谱），这种频谱由最低频率（称为基频、由此产生的声音叫基音）及许多基频整数倍的高频（由此产生的声音叫泛音）组成。一般高频部分的响度比基频部分的响度小很多，而音调主要体现在声音频谱中的基频基音部分，音色则体现于声音频谱中的高频泛音部分。

音色主要决定于声音的频谱，即基音和各次谐音（泛音）的组成。跟声波的波形、声压及声音的时间特征有关系；也和发声体所发出声音的泛音个数、频率分布、强度分布、距声源的距离、听者的年龄、经历、心情环境等有关系。

从图1、2、3的波形图中可以清楚地看出不同声音的特性。音叉、钢琴和长笛的基频（振幅最大的频率）相同即音调相同；音叉发出的是纯音，钢琴和长笛发出的复音声波在基频的基础上还附加了一些小的振动，这些小的振动和大的振动一同决定了钢琴和长笛的音色。

宏观上看音调的决定因素是频率，细分之处声源的固有振动频率与发声体的结构和材料有关；音色也与发声体的材料及结构有关。因此，音调与音色存在交叉关联部分，难以区分是必然的。

具体到敲瓷碗听音辨好坏，大多数老师目前给学生讲的依然是音色，而人教版的教师教学用书（2005年6月第2版，2005年8月第3次印刷）第49页的答案却是：音调和音色皆有，相比之下，主要是根据碗的音调不同来判断的，十几年了未能改变老师们的思维定势。在敲瓜辨生熟的问题上，更是清一色地认为音色是主要的，即便老师们进行集体教研讨论，也是公说公的理、婆说婆的理，谁都无法说服对方。

下面的一个事例可能对老师们有所启发，唐朝开元年间，洛阳有一姓刘的和尚，他房间内挂着一个磬。有一天，刘和尚没有敲磬，磬却自动响起来了，这使他大为惊奇。他的一位好友曹绍夔精通音律，闻讯前来探望，经过一番观察，发现每当寺院里的钟响起来时，刘和尚房里的磬也跟着响了。于是曹绍夔拿出锉来把磬磨去几处，从此磬就不再自鸣了。曹绍夔说：“这个磬的律跟寺院里那口大钟的律正好相同，因此只要寺院里的大钟一响，这个磬就跟着响起来（当策动力频率等于或接近固有频率且“合拍”时就会发生共振现象）。我用锉把磬锉了几下，它们的律就不相同了，所以撞那口大钟的时候，这个磬就不再跟着响了。曹绍夔所说的“律”，就是我们所指乐器的“频率”，把磬锉了几下，磬的结构变了，磬的频率自然就变，磬的频率和大钟不相同了，就不会再跟大钟发生共鸣了。

瓷碗有破损时，会造成缺一小块或出现一些裂缝，其内部结构与好的不同，敲击时它所发出声音的音调和音色与好的都不相同。由于破损瓷碗原来振动的完整圆轨被破坏，使得振动的部分变长，造成频率变慢，音调降低；因此，通过敲击瓷碗辨好坏，音调为主、音色为辅。实验室里的音叉由于锈蚀、磕碰会造成频率的改变，不易完成共鸣现象，这也是教师在实验时需要考虑的技术问题。

图4、5是在2116微秒每格的示波器上获取的瓷碗声波波形，不难发现好碗的振动频率明显高于破损碗，音调区别是明显的，应该为主，音色区别只能次之，这与人教版教师教学用书的答案是一致的。

生瓜与熟瓜的音调不同，音色当然也不相同。但是，人耳对音调与音色的区别是有先后次序的，既然基频中的响度远大于音色中的高频成分，那么人耳首先区别的是基频即音调有无差别；若此差别不大，人耳才会继续区别高频成分中即决定音色部分有何不同。生瓜与熟瓜的音调已有明显差异，于是人耳对音色的差异就不敏感了。因此，通过敲击来区分生瓜和熟瓜主要还是音调的差别，音色即便有些作用也是次要的。另外，不同人通过敲击来区分生瓜和熟瓜还与人耳以及大脑中听觉区域的结构和功能有很大的关系（即不同人对音调差异与音色差异的敏感度不同），还与不同生瓜、熟瓜的基频与高频相差多少密切相关。

图6、7是1693微秒每格的示波器上获取的生瓜和熟瓜声波波形，有经验的人听敲生瓜时感觉声音“瓷实”，“噔噔”地响，说明生瓜的音调高。熟瓜因内里沙瓤、空间膨大而沉闷，音调低且音色丰富。

辨别人说话及乐器发声时，由于人的声带振动频率为85～1 100 Hz，声带振动无固定的固有频率，无法从音调和响度上确定是那个人，只能从音色上区分。乐器为了变调方便通常采用“等程音阶”，全音的后一频率是前一频率的倍，半音的后一频率是前一频率的倍。音乐中C大调“1”（Do）音的频率f1=264 Hz，高八度“i”音的频率fi=528 Hz，相差一倍频程；钢琴最低音27.5 Hz，最高音4096 Hz。一种乐器可以演奏多种乐曲，同样不能从音调和响度上区分乐器的种类，只能从音色上辨别。

为了更好地区分音调、响度和音色，现绘制表1，供老师和学生们浏览，不当之处敬请赐教。

参考文献：

[1]顾建中.力学教程[M].北京：高等教育出版社，1979.

[2]课程教材研究所物理课程教材研究中心.物理八年级上册（教师教学用书）[M].北京：人民教育出版社， 2005.

[3]人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究中心.八年级上册 物理[M].北京：人民教育出版社，2012.

（栏目编辑 王柏庐）endprint