harvey 在 2005-1-18 10:02:25 发表的内容
harvey 在 2005-1-18 9:56:01 发表的内容
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下列的表显出谐波的次数、波形变化
谐波Harmonic 节点数 Nodes 反节点数Antinodes 合成波形Pattern
1st 2 1 | [upload=gif]Upload/20051189531036792.gif[/upload]
2nd 3 2 [upload=gif]Upload/20051189542991971.gif[/upload]
3rd 4 3 [upload=gif]Upload/20051189553357727.gif[/upload]
4th 5 4 | [upload=gif]Upload/20051181001295048.gif[/upload]
5th 6 5 [upload=gif]Upload/20051181005712558.gif[/upload]
6th 7 6 [ |
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上列的1次到6次n次的谐波波形图是在同一瞬间存在于同一聆听空间里。
nth n + 1 n --
音色又称音品,由声音波形的谐波频谱和包络决定。声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音,各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。单一频率的音称为纯音,具有谐波的音称为复音。每个基音都有固有的频率和不同响度的泛音,借此可以区别其它具有相同响度和音调的声音。声音波形各次谐波的比例和随时间的衰减大小决定了各种声源的音色特征,其包络是每个周期波峰间的连线,包络的陡缓影响声音强度的瞬态特性。声音的音色色彩纷呈,变化万千,高保真(Hi—Fi)音响的目标就是要尽可能准确地传输、还原重建原始声场的一切特征,使人们其实地感受到诸如声源定位感、空间包围感、层次厚度感等各种临场听感的立体环绕声效果。
另外,表征声音的其它物理特性还有:音值,又称音长,是由振动持续时间的长短决定的。持续的时间长,音则长;反之则短。从以上主观描述声音的三个主要特征看,人耳的听觉特性并非完全线性。声音传到人的耳内经处理后,除了基音外,还会产生各种谐音及它们的和音和差音,并不是所有这些成分都能被感觉。人耳对声音具有接收、选择、分析、判断响度、音高和音品的功能,例如,人耳对高频声音信号只能感受到对声音定位有决定性影响的时域波形的包络(特别是变化快的包络在内耳的延时),而感觉不出单个周期的波形和判断不出频率非常接近的高频信号的方向;以及对声音幅度分辨率低,对相位失真不敏感等。这些涉及心理声学和生理声学方面的复杂问题。
a 时间差和声级差的组合
双耳效应所产生的各种差别,对声源的方位感,都能够单独发生作用。在它们相互结合时,则产生综合作用。如果它们的作用相反,那末就相互抵消。正常情况下,我们的聆听室里经常会发生这种声音相互抵消的情况,这是本文要解决的重点,也是影响回放出来的声音不好听的罪魁祸首。
近代立体声技术的实践证明.时间差和声级差的组合,对声源方位感的效果十分明显。实验证明,在一定条件下,1 ms时间差相当于5 -12 dB的声级差,其关系可互换。在一个混响时间超过正常声学要求的大厅里,声频的反射声、混响声等声级大大超过其直达声。这时,人耳对声源的第一波阵声源的刺激甚为敏感,如果反射声和混响对于直达声延时40 - 60 M,人耳还可能把握到声源方位。如果延时超过这个40 - 60 M范围,人耳便无法分辨原发声到达双耳的时间差和声级差,就会产生分离的方向感,或混乱的方向感。这就是为什么一个回声很重的大厅里不容易把握住声源方位,需要用眼睛帮助定位的缘故。
这里我们要注意的是:怎样去保持第一波阵声源的纯净性,极力设法去保持以免受到干扰。我们的声学处理重点,就是尽量消除那些多次反射声波的干扰,设法吸收它们或扰乱它们的扩散方向。聆听室实际上也只不过是一种容器,在其中发生的声音反射回听者耳朵那里——音箱产生声波,其中一些直接到聆听者的耳朵,而大部份是由房间的地板、天花板或墙壁等反射之后,才到聆听者耳朵的。当两个同频率等幅度的声波,以不同的时间到达聆听者的耳朵,这些声音就是多少有点不同相位,即是说,声波形的形状和大小虽然一样,但波峰值和波谷值都不相吻合。两个声波在完全反相时,峰值填平了波谷值,就完全抵消。波形的总幅度是由「常态」或媒体的、非激发态开始算起的最大偏离,数值是正的。但声波的本身是在正负两个方向连续变化,因此在声波上的某一点,相对于正常状态时,声波的综合会产生正值或负值——这也就是为什么多个声波相交时,会互相加强或互相抵消的原因。这些合成声波的幅度,等于在相交点各声波幅度之和,如果是正值相加就定生一个更大的正值,负值相加产生一个更大的负值;如果正负值相加,总的结果就接近于零。如果两个声波的幅度完全相等,但是数值相反,合成声波的幅度就等于零。同样,对于声波其压缩的部份遇到另一声波的稀疏部份,互相会抵消,其程度依随着室内正常的空气密度的偏离而不同。如果完全抵消,就会没有声音。
声音的音色 *(注1) 是由声音波形的谐波频谱 ( spectrum ) 和它所凝聚的氛围决定。声音波形的基频( fundamental ) 所产生的听得最清楚的音,称为基音 ( fundamental tone );各阶次 ( order ) 的谐波(harmonics )*(注2) 的微小振动所产生的声音,称分泛音 ( partial tone )。单一频率的音,称为纯音( tone),具有谐波的音称为复音 ( complex tone )。每个基音都有独特的频率和不同响度的泛音,人们聆听到时,立即可以分辨出来这种独特的频率的特征,与其它不同响度的泛音 (overtone),但具有相同响度和音调的声音之间的分别。声音波形及各次谐波的比例、声音波形随时间的衰减大小,决定了各种声源的音色特征,它的凝聚氛围是每个周期波峰间的连线,凝聚氛围的陡缓,影响声音强度的瞬态特性。声音的音色色彩纷呈,变化万千,高保真 ( Hi Fi ) 音响的目标就是要尽可能准确地传输、还原去重建原始声场的一切特征,使人们真实地感受到:声源定位感 ( positioning or spatiality ) 、空间感 ( spaciousness ) 的质素,能显示许多不同乐器或演唱者,各个发声位置及其声音空间。有人认为空间感即是英文的声像演绎( soundstage presentation ),亦即回放系统准确地再生原始演唱者或乐器的位置、尺码、形状和声音的特征。空间感呈现很广阔环回声音、较两边音箱阔的三维空间,可以感觉得到临场的聆听感、大堂堂音 ( ambience ) ,包围感( envelope or ambience )、层次深度感 ( layers and depth ) 等各种立体声音的环回的效果。
*(注1)音色timbre的概念十分复杂,如上述的定义,构成音色的物理成分十分复杂;人耳对音色的感觉过程也十分复杂;每个人都生就一对与别人不同的耳朵,对音色感觉和心理上反应也十分错综复杂。因此,人与人之间的听觉,可以说十分错综复杂,彼此之间也干差万别的,各自有自己与别不同的「主观评价」。
*注2:谐波harmonics亦称为overtones: 它们是一群基频的倍数频率。谐波的延伸可以无限地超越人的闻阈。谐波里包含有「奇次谐波」和「偶次谐波」的特性。一个二次谐波相当于四倍的基频; 如此类推。每一个偶次的谐波,如2.4.6等,就是一个八度音阶 ( octave ) , 或是音阶高于相应基频的倍数。另一方面,每一个奇次的谐波,如3,5,7等,及它们提升层次所产生的连串音阶,没有与任何八度谐波相对应,因而会是一种不愉快声音。因此,我在这里必须强调:音响系统会产生奇次谐波的话,它回放出粗糙难听而偏硬声音,因而也不会是一个好的选择。
c音色的物理成分:
我们耳朵对音色的感觉,是人类听觉器官最为神奇的功能之一。活到八十岁的老人,一生中可能听到并且能瞬息间分辨出亿万个不同声音的音色,而且可以清晰地记忆它们之间的不同音色的特点,可以说人耳对音色的分辨能力是无限的。这也是人类听觉器官最挑剔的功能,是判断声音音色好听或是不好听的主观直接神奇的功能。
声学上音色之间的差别分解为:
(1)频率frequency 是声音的基础,不同的频率产生相异的音调,令人聆听到不同的意义或旋律(基频频率fundamentals及其谐波序列orders of harmonics) ;
(2)振幅modulation 是声音天赋的特质,每一个人或每一件乐器,都会有它自己与别不同的特质。它会令人聆听起来时产生感觉,令人的情绪产生变化:立即分辨出是谁或者是甚么乐器的发出来的声音;
(3)发声过程sound sequence是声音产生的源头,决定声音的赋有的特征,它是根据乐器的材料成份、形状、构造…的不同,产生的声音也不同。这便是名歌星、名琴的分别,他们的声音产生的源头与别不同,人们喜欢聆听。上篇<再谈音响贵气>文章提起的意大利小提琴,和下文所提的土耳其钹,都是因为它们的声音产生的源头特殊,人们喜欢聆听而誉满全球。
这三个变量因素,是一种包含着时间的当量,帮助我们进一步弄清楚音色概念。音色感觉的生理机制,是人耳蜗基底腹,在受到这三个当量的刺激后,向大脑皮质所发送相应的脉冲信号。这些变量因素是构成音乐语言要素:旋律、节奏、节拍、速度、力度、音区、音色、和声、复调、调式、调性等等的复杂变化,令音乐多姿多采、千变万化。
每个人都有与别人不同的发声腔调,每一件乐器也会奏出不同于其它乐器的声音。事实上每一滴雨水落地的响声,落点不同因而彼此各自也有区别。这些音色差别,我们都能够感觉出来。 因此可以得出一个这样的结论:各种各样的音色的感觉,都可以归纳为听觉器官对声音进行频谱分析的结果。 每个人对同一种音色的评价可能会有截然相反的意见。形成音色主观评价不同的心理因素,是多种多样的,就像每人的口味嗜好一样,各有各人自己的偏好,很难强求一致。
d 形成对音色主观评价不同的心理因素:
在交响乐队中的土耳其钹 (Cymbals),也是一种用“响铜”制造的体呜乐器,源出自古代土耳其,最早在埃及、叙利亚和伊朗流行,后来随着土耳其帝国的扩张而传入欧洲。1623年,土耳其君士坦丁堡(今伊斯坦布尔)的一位名叫艾夫迪斯(Avedis)的炼金匠,发现了一种冶炼合金的秘方,并将其应用到制钹上,才使土耳其钱各扬天下。由于艾夫迪斯的成名,人们给他取了“齐尔德吉安”(Zildjian,即“钹匠”)的雅号。时至350余年后的今日,艾夫迪斯的直系后裔仍在使用世传的秘方制造着世界闻名的“齐尔德吉安” 钹。但现代欧美的一些制钹厂,已经学会模伤“钹匠”的技艺,造出了不少出色的仿制品。这是世人主观评价对钹音色独具爱心的例子。
(1) 每个人的生活环境不同,日常接触的声音信号亦不同,适应了较为宁静的生活环境的人,对城市的烦嚣音响感到刺耳;长期生活在城市的人,习惯了城市街道杂音,对城市喧哗嘈杂声响,却并不那样无法忍受。
(2) 每个人的文化素养会有很大的不相同,经常接触音乐艺术,对乐器音色和演奏技巧有研究的人,和平时不接触音乐艺术,不关心乐器演奏的人,对音乐音色虽然有不同的评价。前者对音色要求细腻、严格,能够区分音色的微小变化;后者对音色要求祖糙,无法感觉出音色的细微变化。
(3) 一个人随着年龄的增长,聆听声音的能力会逐渐下降,音色的谐波成分(高频泛音)听不见了,因此,上数岁的人与年青人的音色感觉有所不同。 老年人觉得不明亮的音色,年青人感觉明亮,老年人感到明亮的音色.年青人可能会感到刺耳。
(4) 每个人聆听音乐时的心态状况不同.亦影响对音色的感觉。例如一个人处于极度悲痛的情况下,对明亮尖锐的音响感到厌恶和格格不入,而其它人并没有这种感觉。
(5) 一些人听觉生理上有缺陷,对音色产生与常人不同的感觉,会影响对一些特定的频段音色的分析能力,从而影响音色的正常感觉。
音色的美与丑感觉依附于人的物理条件,就个人的感受来说,又带有极大的主观随意性。因此,纯粹地为某一个音色的好坏去争辩不休,显然是没有意义的。
e声级差
不同的声强的声波到达两只耳朵时,会产生声级差。形成声级差的主要原因是人耳朵的遮蔽效应。前进中的声波如遇到几何尺寸等于或大于声波波长的障碍物,会发生遮蔽效应。其原理是:高频声在传播遇到障碍物时,因无法越过障碍物,在障碍物后面形成声阴影区;低频声波波长大于障碍物而在障碍物后面形成声音衍射区。
高频声音对于声级差起重要作用,因为高频声波不能绕道聆听者头部,所以处于声阴影区的那只耳朵,比较能够听到直达声的那只耳朵,声强级产生差异。频率愈高,声源偏离正面中轴线愈大,声级差就愈明显。 这就是我们对高频声波有更高的方向分辨能力的原因。
从衍射效应的角度看,低频声音当然也会形成声级差。但是由于头部直径为20 cm左有,低频声音发生衍射时,多走的路程有限,因衍射而损失的能量也很小。因而偏离中轴线的低频声,到达两耳的声级差几近于零,对声源定位作用不明显,因此低频声音没有方向性。
声级差令人们的感觉:对高频声波有更高的方向性,而低频声音没有方向性,因此我们做声学处理的时候,对高频声波(尤其是它们的第一、第二次反射波) 必需设法把它们吸收,以免它们产生声波的和差效应,破坏了整个音乐回放效果。
f音色差
遮蔽效应对于音级差产生作用的同时,必然会同时对音色产生影响。因为构成音色的主要成分是基础音和各次谐波的分量。例如一个基频为200 Hz,入射角为45º 复合波的点声源,它的基础音和低次序谐波,遇到头部障碍后产生衍射效应,其高次谐波则被头部遮蔽而出现高频声阴影区。这时,到达一侧耳朵的声音为直达声 (原音色) ;到达另一侧耳朵的声音,因为高频损失而使音色发生变化。大脑皮质根据两耳的音色差来辨认声源方位。由此可见,音色差是高频信号声级差的另一种反映。
必须指出,音色差的形成主要是那些基频在60 Hz以上的复合音声源。因为60 Hz以下的声音高次谐波波长较大,遇到头部尺寸(直径约20 cm)的障碍并不产生遮蔽效应;例如基频为30 Hz的声音,其15次谐波为480 Hz,波长为0.716 m,波长比头部直径大许多,双耳之间不会形成明显的音色差,其17、18、19次谐波,强度很弱,对音色构成意义不大。因此,60 Hz以下的声音比中频、高频声的声源方位感准确性要低。
从强度差和音色差对双耳效应作用中,可以推想出纯音比复合音更加难以定位,原因在于纯音是正弦波(单个波),不能构造音色差。
g声源深度感
声源深度是听音人与声源之间的距离,所以声源的深度感,又可以称为声源距离定位。声源深度感常常同某个数字模式相联系。当我们听到一个声音时,我们除了感觉到这个声音发生的大致方位外,还会感觉到这个声音发生的大致距离。若要精确地感觉到声源的深度,则要熟悉声场环境,熟悉声源音色,或者直接借助视觉去测量声源与自己的距离。由此说明,声源深度感是后天形成的,可训练的。
深度定位主要通过声波衰减的程度来判定。声波在辐射过程中,能量随传播的距离而损耗,首先是高次谐波中振幅较小的先衰减,形成音色变化。人耳听到声信号后,同大脑储存的声信号作比较,从而判断这个声信号声源的深度。
深度感的另一途径是声源比较法。当有数个不同距离的声源存在时,人耳可通过最近的点声频,来推测出其它声源的深度。多个不同距离和入射角的点声源所形成的阵声源,使听觉产生声音的宽度感和包围感。再重复一句话;声源深度感通常与视觉并联,靠视觉形成经验,靠视觉帮助精确定位。
这里必须要提出的是必须注意聆听室的宁静性。这种宁静包括聆听室会不会受到外界声音的介入,最重要的还是音响系统会不会存在任何内部的噪音(local noise) 。
h频段跟踪与音色分离
声场中有许多音色相近,但频率不同的点声源同时发声,听觉能够跟踪其中一个声源,听觉的这种功能称为频段跟踪。例如交响乐欣赏,当许多拉弦乐器在不同高度上同时发声的情况下.欣赏者仍然清晰听见某一声部的声音,就是频段跟踪功能在起作用。
声场中有许多个频率相近、但音色不同的点声源同时发声,听觉能够将某一个音色与其它音色分离出来,这种听觉功能称为音色分离。最常见的例子是,在一个喧闹的环境里,当我们想要听清楚某人的讲话声时,我们就会全神贯注地去抓住这个声音,这时,仿佛其它声音都减弱了,被抓住的声音好像从众多的讲话声中分离了出来。这就是人耳的音色分离功能在起作用。
在现实生活中,频段跟踪与音色分离两种功能常常是同时起作用的。因为世界上绝大多数的声音信号,都存着频率差别。另外在乐器音域表中,弦乐的最高音并不是绝对不变的。而人声及管乐的最高、最低音也不是绝对的,它们会依演奏者的演奏能力而有些许的改变。同时管弦乐团的排列也会因乐曲需要而作调整。
这里,我特意将音乐指挥乐团演出时,习惯性的将不同乐器的排列方式,借用了一个示意图列出如下,帮助乐迷们作频段跟踪,听觉能够跟踪其中某一种乐器声源,去分析自己的音响系统的音响舞台。这样或许会提高聆听音乐时的趣味性。