第二節 樂音

甚麼是樂音呢?

樂音 (musical note) 是一個相對於噪音 (noise) 的概念。一些聽起來悅耳動聽、令心情舒暢的聲音,如鋼琴演奏的聲音,便稱為樂音。如用示波器顯示樂音的波形,會留意到波形就是多個形狀相同的曲線串連在一起,可以輕易讀出聲波的週期。這表示了((a)):

樂音:聲波的振動是規則的。

相反,噪音的波形便顯得毫無規律((b))。由各種不同的樂器如音叉、笛子、小提琴、木琴等發出的聲音,都是樂音。當要描述或比較不同的樂音時,我們常會用到一些術語,如音調 (pitch)、響度 (loudness) 和音品 (musical quality)。你知道音調、響度和音品是指甚麼嗎?它們對應於聲波哪些特性?

(a) 音叉的波形;(b) 噪音的波形
音調與響度


日常用語中,我們會說某個樂音是高音或低音之類,指的就是音調的高低。如果有某個如所示波形的樂音,該樂音的較高音調和較低音調的波形,會分別類似所示。換言之:

音調:指聲音的高低,乃決定於聲波的頻率

比較可知,聲波的頻率愈高,表示其音調愈高;相反,頻率較低的聲波,音調便較低。


我們平常除了會說聲音的高低,也會說某個聲音比較響之類。對於人耳感覺到的聲音大小(或稱強弱),我們會叫響度。若有某個如所示波形的樂音,該樂音的響度較大和響度較小的波形,會分別類似所示。換言之:

響度:指聲音的大小,乃決定於聲波的振幅

比較可知,聲波的振幅愈大,表示其響度愈大;相反,振幅較小的聲波,響度便較小。


總括而言,音調的高低與響度的大小,皆為人們的主觀感覺;不同的人對所謂的音調高或者響度大,會有不同的感覺。總結了樂音的音調或響度改變時,對應的波形變化。

音調較預設低的波形
音調為預設大小的波形
音調較預設高的波形
響度較預設低的波形
響度為預設大小的波形
響度較預設高的波形

改變樂音的音調或響度時,其波形變化為:
當樂音的音調愈高,所示的波的數目愈多。即音調愈高的樂音,其頻率愈高;
當樂音的響度愈大,所示波形振幅愈大。而響度愈大的樂音,所帶能量愈多。
音品


假使有兩件樂器各自發出了相同音調和響度的聲音,它們必定是完全相同的聲音嗎?當然不是!即使音調和響度相同,往往還是有所區別的。當兩種樂器發出音調和響度都相同的樂音,我們將不難區別出,樂音是由那種樂器產生的。我們會說這兩種樂器所產生的樂音有不同的音品(又稱音質或音色)。要掌握音品的概念,可先比較音叉與樂器發出的樂音波形:

【音叉的波形】
顯示音叉發出的聲波波形。這類單一頻率、簡單的聲波波形,原來是只有音叉或訊號產生器等特製儀器才能發出的。這種聲音稱為純音 (pure tone)。

【樂器的波形】
藍線和藍線分別是兩個不同音品、但音調相同的樂音。這表示若把不同樂器的波形顯示出來,會有不同的波形,因為它們會發出不同音品的樂音。事實上,大部分樂器聲波的波形,並不如音叉般的簡單。換言之:

音品:決定於聲波的波形,形成乃視乎發聲體振動的複雜性。


那麼,不同音品的樂音,其波形是如何產生的?

一般樂器能同時造出多個頻率、振幅不同的聲波。在這些聲波中(見):

  • 音調最低、響度最大的聲波稱為基音 (fundamental tone),其頻率稱為基頻 (fundamental frequency),用 \({{f}_{0}}\) 表示。基頻就是樂音的頻率;
  • 其他聲波的頻率,必定等於基頻的整數倍,即是 2\({{f}_{0}}\)、3\({{f}_{0}}\)、4\({{f}_{0}}\) ‧‧‧‧‧‧。這些聲波稱為泛音 (overtone)。

樂器發出的基音和泛音疊加起來,便合成為波形較複雜的樂音了。


純音的波形是正弦波,為單一頻率的聲音
\(1\ \text{Hz}\) 的基音與 \(2\ \text{Hz}\) 的泛音疊加起來,成為波形較複雜的樂音(藍色線)
\(1\ \text{Hz}\) 的基音與 \(3\ \text{Hz}\) 的泛音疊加起來,成為波形較複雜的樂音(藍色線)
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