图解泛音及形成原理

首先要纠正一个大家可能一直都有的误区:人声并不是音高确定了之后就只存在某个固定频率范围。相反,无论音高如何,人声都是分布在一个广大的频率区间内。也就是说,人声其实是由若干频率的声音合成而成的。请看视频解读:

http://v.youku.com/v_show/id_XNzkwODM2NzQ4.html

首先,泛音到底是什么,很多人都不知道。标准答案是:泛音是物体局部振动产生的。

啥是局部振动?

非常清楚的局部振动,一根弦分成四段分别进行振动。这四段的振动频率是一样的。

我常讲的第一泛音,第二泛音就是这样的:

图上依次是基频,第一泛音,第二泛音。。。

可以看到,分的段越多,形成的频率越高。比如分两段,那频率就是基频的二倍。应该挺容易理解的吧。

真实的声音就是这些振动的叠加,视频里有展示。

泛音形成的原理:驻波

视频里很好的展示了驻波形成的原理,同频波经过反射形成了叠加。所以,能形成驻波,必须是物体长度是1/2波长的整数倍。这样才能形成叠加。

这就是物体振动总是有固定频率和固定音色的原因:只有一些频率的波才能在物体中形成驻波,从而持续下去。其他频率的波很快就会能量消散掉。

所以一个音叉,你怎么敲它,它都是那个振动频率,就是这个道理。

那怎么调节音高?

参考弦乐,一根两端固定好的弦,本身的频率是固定的。改变音高的话:

1. 把弦拉紧一点。

2. 用手指按住一点,让弦的一部分不振动,可振动部分长度缩短。

声带也是一样的道理:

1. 拉紧声带,可以获得更高的音高。放松声带,音高变低。

2. 捏住声带的一部分不发声,让另一部分发声,这样音高就提高了。这就是近年来所谓关闭唱法的基本原理。(关闭唱法的提法我认为是有问题的)

人声的情况

人声的情况要复杂一些,因为声带不是一个简单弦,它是一个立体的东西,更像这个图:

立体的基频与第一泛音。

人声还有共鸣的问题,会大大改变泛音的构成。

 

基频决定音高,泛音决定音色。

这句话是音频处理的核心。

为何很多时候泛音很强但依然是基频决定音高?

这是很多人对我的提问,简单解释一下。没兴趣的同学可以略过这一段。

什么是频率?频率就是单位时间内波形重复多少次。

上面这句没有疑问吧?那么我们看图

假定这就是单位时间的波形图。第一张图的频率是2,第二张图的频率是4,这都没什么疑问。第三张图的频率?根据定义,波形重复了两次,所以频率是2。

这个例子告诉我们,2和4的两个波,合成之后频率是最大公约数2。

来个更复杂的例子:

4和6的波合成频率为2。这个例子告诉我们,即使没有2的波,合成规律依然要取最大公约数。

当然,这个例子是有问题的,1。自然界没有这种声音,一定是2, 4, 6, 8, …一定带基频。2. 即使自然界真的制造了这个声音,也会被人耳判定成两个声音。

自然界的 2,4,6合成,应该是这样的:

不管怎么说,我们基本上可以得到一个结论,2, 4, 6, 8, 10,..这样的波合成,最终波的频率是2,即使原本频率2的那个波振幅很小。

 

图解泛音及形成原理》有14个想法

  1. 比院长你好,我想请问几个问题:

    1、绳子用某个频率甩动出某个泛音波形,视频中有实例。但视频中的合成运动(几个泛音合成的波形),是数字动画。现实中的合成波形,能用绳子甩出来吗?该用怎样的频率呢?

    2、拨动一次琴弦就能得到完整的泛音列吗?由于一个频率只能对应一个泛音,那么拨动一次琴弦,是如何得到完整的泛音列的呢?

    3、公式中驻波的频率F与整数N相关,N越小F就越小。N是半波长与弦长的整数倍关系。请问合成的音、合成波形、合成泛音中的N该怎么取值呢?N只能取一个整数,怎么表达由多个泛音合成的音呢?驻波是泛音形成的原理,但驻波是泛音列形成的原理吗?

    1. 你要理解泛音形成的原理是:初次的扰动会产生无穷多的波,频率各有不同,但是只有满足泛音/基频 频率的那些波能存活,其他波很快就消散了。
      1. 显然能,随便拨一下,其实就会形成多个泛音的叠加。
      2. 一般来说是的。随便拨一下就有了完整的泛音列。
      3. 不知道你想问啥

  2. 比院长你好,你所说满足泛音/基频的条件,是不是就是驻波形成的条件?音叉是不是因为没有驻波形成的条件,所以才产生不了完整的泛音列?

    不同的乐器有不同的音色,是因为有不同的泛音组合。比如单簧管的泛音都是奇数(3、5、7···),又比如笛子泛音极少极弱,但我感觉单簧管和笛子还比较好听。有些理论说“偶数泛音”或“完整丰富的泛音”更为好听,这该怎么理解呢?

    1. 音叉在你敲击的刚开始阶段,一样是有泛音列的。大致的过程是这样的:
      1. 敲击的一瞬间,产生无数频率的声音。
      2. 非泛音频率的波迅速消散,剩下泛音列。
      3. 泛音也很快消散了,剩下基频持续很久。

      钢琴也是这样的,只不过钢琴的第二阶段会持续很久。
      应该说,几乎所有的固体发声都是这样的。
      那为什么乐器的泛音会持续的更久呢?一是结构问题,比如钢琴,它其实是很多固体一起振动,各有频率。二是,乐器多数都是持续输入的,比如小提琴,你是持续的施加力在琴弦上,这样就不会出现泛音消散的局面。

      理论上说,偶数泛音或完整丰富泛音确实更和谐一些。泛音列越多越完整听起来越饱满。

      1. 比院长你好,

        比如锣声,是因为泛音列衰减太快,而被称为噪音(非周期性振动)的吗?会不会是因为锣的结构不能产生泛音列,所以才生产无规则的频率?

        又比如一根琴弦,左右的粗细不均匀,它能产生完整的泛音列吗?它会不会因为共振频率不稳定,而成为噪音(非周期性振动)呢?

        1. 没调研过锣。鼓的确是没有泛音列的,鼓是所有频率都震一下。这事我一直没研究是为啥。
          至于说不均匀的物体是不是有固定频率,我认为是有的,比如我们都知道弹刀片是发出固定声音的,哪怕这个刀片比较残破。现实生活中大部分不规则物体敲击都是产生固定频率的,比如不规则铁块什么的。
          至于说什么情况下会形成噪音,不知道。

  3. 基音那么弱的情况下,歌手唱出来的key还是用基音的音高来描述是不是不太合理?
    比如帕瓦罗蒂的HighC,明明那么强的第一泛音C6,还是说他只是唱到了C5,这样是对的吗?

    1. 没有问题。你听听女高音唱的C6,就知道老帕是C5无疑。
      决定音高的不只是基频,还有泛音之间的间距。C5的间距明显比C6小一倍。

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