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格物致知001——拍頻

“拍”現像, 在機械和電路中都很常見。

所謂“拍”, 是指兩個頻率相近的正弦信號合成的一個較低頻變幅信號。 這裡所說的信號, 可以是電信號(電磁振動, 通常稱為電磁振盪), 也可以是聲音信號(機械振動)。

兩個正弦電信號合成產生的“拍”現像, 請看下圖:

(1)

這是模擬圖。 圖(1)中有兩個獨立電壓信號源, 一個是100Hz, 另一個是110Hz。 用示波器的兩通道觀察兩個電壓信號源的波形, 我們看到兩條正弦曲線。 因為兩個正弦信號週期不同, 故而兩個信號振動時而是同一方向(如紅色箭頭所指時刻), 時而是相反方向(如綠色箭頭所指時刻)。

我們立即可以判斷:在兩個電壓信號振動為同一方向時, 兩個電壓信號的合成必定是疊加, 兩個電壓信號振動為相反方向時, 兩個電壓信號必定互相抵消。 合成後的電壓信號必定幅度在變化。 可以計算出:幅度變化的頻率恰好是兩個正弦電壓信號頻率之差,

如下圖所示。

圖(2)

從圖(2)兩個頻率分別為100Hz和110Hz的正弦電壓信號合成後的信號可以看出:R1兩端波形恰如我們的預計, 幅度在不斷變化, 幅度變化的頻率為10Hz。

圖(2)中兩個信號幅度相同, 合成信號峰值在兩個信號幅度之和與幅度之差之間變化,

所以合成後的信號R1兩端波形包絡可以到零。 如果兩個信號幅度不同, 合成信號峰值仍然在兩個信號幅度之和與幅度之差之間變化, 合成後信號各峰值(當然也包括了兩次過零期間的平均值)變化範圍就沒有那麼大, 如圖(3)所示。

圖(3)

兩個不同頻率電壓正弦信號合成後是否產生了新的電壓信號?我們用模擬軟體中頻譜分析儀看看。

受頻譜分析軟體限制, 也為了看得清楚一些, 兩個正弦電壓的頻率改為1kHz和1.1kHz, 幅度也改成了1.5V。 頻譜分析範圍是50Hz到3kHz。

圖(4)

圖(4)頻譜分析模擬結果, 合成後的電壓信號中並沒有100Hz成份,

只有1kHz和1.1kHz成份。

那麼我們在圖(2)中看到合成後電壓信號幅度變化的頻率是什麼物理量變化的頻率?圖(2)中可以看出:紅色箭頭所指處R1兩端電壓峰值達到接近2V, 相應的峰值功率為接近4mW, 兩次過零之間平均功率接近2mW(兩個頻率相近的正弦信號合成後不是正弦信號, 因此不能按照正弦信號計算, 但相差不遠)。 而綠色箭頭所指處R1上峰值功率接近為零, 平均功率也接近於零。

什麼是頻率?頻率是每單位時間內某物理量週期性運動的次數。 所以, 圖(2)中信號幅度變化的頻率, 就是R1上平均功率耗散變化的頻率。

我們再來看看機械振動。

圖(5)是鋼製成的八把音叉, 用軟錘(木材或硬橡膠)敲擊音叉, 音叉就會產生振動發出聲音。 每一把音叉上都刻有這把音叉的頻率值。音叉製成後的頻率值相當準確,可以準確到0.1Hz,而且受溫度變化影響比較小。音叉發出的聲音是逐漸衰減的,不過衰減相當慢,在人耳可以聽聞的強度上一般可以持續幾十秒甚至更長時間,然後由於聲音太小,人耳難以聽到。音叉振動的特點是非常接近正弦(基頻以外的振動非常小),聲學中叫做純音。所以聲學實驗中經常用音叉作為聲源發出單一頻率的聲音。

圖(5)

如果敲擊音叉後,將音叉放到專用的一端開口的木盒上(圖中木盒開口在圖的左邊),如圖(6),音叉的聲音會變大不少,不過聲音衰減得也更快。

圖(6)

如果我們使用兩把音叉,頻率相差很小,例如1000Hz和1001Hz。當我們分別敲擊兩把音叉時,我們聽不出兩把音叉的音高有什麼區別。也就是說,兩把音叉振動頻率的差別遠小於人耳對音高的分辨能力。

如果我們同時敲擊這兩把音叉,我們仍然會聽到一個單音。但是,這個單音的大小也就是聲音的響度是在忽強忽弱地變化著。聲音響度的變化頻率,正是每秒一次,也就是1Hz。

我們都知道,聲音的大小也就是響度表示聲音的功率大小,聲音“忽強忽弱”說明功率在週期性變化,所以聲音的“拍”,正是功率週期性變化的頻率。

事實上,“拍”(beat)這個詞彙,最早就是對人們聲音的研究而產生的。

順便說一句:我上初中三年級時,物理課上老師就曾經給我們演示過用兩個頻率相差很少的音叉敲擊振動產生“拍頻”的實驗,可以清晰地聽到聲音的強弱變化,至今記憶猶新。

如果兩個音叉頻率相差較大,例如1000Hz和1050Hz(此頻率差已經接近音樂中的“半音”,一般人都能夠分辨),那麼同時敲擊兩音叉時拍頻為50Hz。50Hz已經是人耳可聽聞的頻率,但兩個音叉同時振動,人耳並不能聽到50Hz的聲音,只是感到和一個音叉發出的聲音相比較,聲音“不穩”,有些“顫動”。實際上這就是人耳對聲音強度以50Hz頻率變化的感覺。

所以,“拍頻”是功率這個物理量週期性變化的頻率。

各位如果看到過鋼琴內部,就會發現:鋼琴每個鍵對應的弦並不是一根,而是每個鍵對應並排的兩根或者三根弦。鋼琴上每個鍵按下時,通過一組杠杆(擊弦機)帶動一個外麵包著毛氈的木制小錘敲擊這兩根或者三根琴弦。

鋼琴調音師在為鋼琴調音時,有的把對應同一鍵的兩根弦或三根弦調到音高完全一致,有的把兩根弦或者三根弦調得略為差一點點。這個“差一點點”,就會產生拍頻,使鋼琴發出的聲音與三根弦完全一致有差別,有“拍”的效果,聲音有一些“顫動”,這個“顫動”就造成了一種特殊的音色。

不過,鋼琴發出的聲音“顫動”並不像兩個頻率很接近的音叉產生的“顫動”那麼強,這是因為鋼琴發出的並不是純音,也就是說,不是正弦波,而是含大量諧波的聲音。兩根弦振動時,基波恰好互相加強的時刻,二次諧波卻不一定恰好互相加強,很可能是互相抵消,基波互相抵消時,二次諧波可能是互相加強,三次、四次諧波也是如此,所以“拍”也就是聲音響度變化不大。經過良好訓練的調音師能夠聽出來(經常以此為依據來調音),普通人往往就聽不出來“拍頻”,只是感到音色不同而已。

較大型鍵盤式手風琴右手每一個鍵對應兩個簧片,當氣流吹動兩個簧片時兩個簧片產生的基波聲音頻率並不相同,相差幾Hz。這也會產生“拍頻”,造成顫音效果,也造成了手風琴的特殊音色。俄羅斯鈕扣式手風琴——巴揚,右手鍵盤每個鈕扣只對應一個簧片,因此沒有拍頻造成的顫音,所以俄羅斯手風琴的音色與普通手風琴不同,獨具一格。

說到“音色”,早期認為不同的音色是諧波含量不同造成的。例如吉他的空弦,靠近弦的中間撥弦和靠近弦的根部撥弦,人耳聽上去音高相同,但能夠分辨出兩個聲音並不相同。如果你不曾接觸吉他演奏,問問圈圈即可。@computer00因為兩種撥弦方式產生的聲音諧波含量是不同的,所以人們認為不同的音色是諧波含量不同造成的。

後來人們發現,兩個頻率相差不太多的振動,聽上去是一個單音,但因拍頻所產生的“顫動”也造成音色不同。這一點前面已經敘述過了。

再晚一些的研究又發現:人耳聽到不同的樂器,例如小提琴和長笛演奏同一音高的聲音,很容易分辨出是哪種樂器演奏的,顯然兩種樂器的音色不同。但使用電子技術把這段聲音的開始部分和結束部分去掉,只留下中間那段,人耳卻難以分辨,聽不出有什麼不同。那麼,“音頭”和“音尾”也就是振動開始時的不穩定狀態和結束時的不穩定狀態也會影響音色。豎琴和吉他都是撥絃樂器,但豎琴和吉他發出的聲音音色不同,很容易分辨出來,這是因為豎琴和吉他弦的固定方式有一些不同。

可見音色是非常複雜,而且帶有很大主觀成份的。

每一把音叉上都刻有這把音叉的頻率值。音叉製成後的頻率值相當準確,可以準確到0.1Hz,而且受溫度變化影響比較小。音叉發出的聲音是逐漸衰減的,不過衰減相當慢,在人耳可以聽聞的強度上一般可以持續幾十秒甚至更長時間,然後由於聲音太小,人耳難以聽到。音叉振動的特點是非常接近正弦(基頻以外的振動非常小),聲學中叫做純音。所以聲學實驗中經常用音叉作為聲源發出單一頻率的聲音。

圖(5)

如果敲擊音叉後,將音叉放到專用的一端開口的木盒上(圖中木盒開口在圖的左邊),如圖(6),音叉的聲音會變大不少,不過聲音衰減得也更快。

圖(6)

如果我們使用兩把音叉,頻率相差很小,例如1000Hz和1001Hz。當我們分別敲擊兩把音叉時,我們聽不出兩把音叉的音高有什麼區別。也就是說,兩把音叉振動頻率的差別遠小於人耳對音高的分辨能力。

如果我們同時敲擊這兩把音叉,我們仍然會聽到一個單音。但是,這個單音的大小也就是聲音的響度是在忽強忽弱地變化著。聲音響度的變化頻率,正是每秒一次,也就是1Hz。

我們都知道,聲音的大小也就是響度表示聲音的功率大小,聲音“忽強忽弱”說明功率在週期性變化,所以聲音的“拍”,正是功率週期性變化的頻率。

事實上,“拍”(beat)這個詞彙,最早就是對人們聲音的研究而產生的。

順便說一句:我上初中三年級時,物理課上老師就曾經給我們演示過用兩個頻率相差很少的音叉敲擊振動產生“拍頻”的實驗,可以清晰地聽到聲音的強弱變化,至今記憶猶新。

如果兩個音叉頻率相差較大,例如1000Hz和1050Hz(此頻率差已經接近音樂中的“半音”,一般人都能夠分辨),那麼同時敲擊兩音叉時拍頻為50Hz。50Hz已經是人耳可聽聞的頻率,但兩個音叉同時振動,人耳並不能聽到50Hz的聲音,只是感到和一個音叉發出的聲音相比較,聲音“不穩”,有些“顫動”。實際上這就是人耳對聲音強度以50Hz頻率變化的感覺。

所以,“拍頻”是功率這個物理量週期性變化的頻率。

各位如果看到過鋼琴內部,就會發現:鋼琴每個鍵對應的弦並不是一根,而是每個鍵對應並排的兩根或者三根弦。鋼琴上每個鍵按下時,通過一組杠杆(擊弦機)帶動一個外麵包著毛氈的木制小錘敲擊這兩根或者三根琴弦。

鋼琴調音師在為鋼琴調音時,有的把對應同一鍵的兩根弦或三根弦調到音高完全一致,有的把兩根弦或者三根弦調得略為差一點點。這個“差一點點”,就會產生拍頻,使鋼琴發出的聲音與三根弦完全一致有差別,有“拍”的效果,聲音有一些“顫動”,這個“顫動”就造成了一種特殊的音色。

不過,鋼琴發出的聲音“顫動”並不像兩個頻率很接近的音叉產生的“顫動”那麼強,這是因為鋼琴發出的並不是純音,也就是說,不是正弦波,而是含大量諧波的聲音。兩根弦振動時,基波恰好互相加強的時刻,二次諧波卻不一定恰好互相加強,很可能是互相抵消,基波互相抵消時,二次諧波可能是互相加強,三次、四次諧波也是如此,所以“拍”也就是聲音響度變化不大。經過良好訓練的調音師能夠聽出來(經常以此為依據來調音),普通人往往就聽不出來“拍頻”,只是感到音色不同而已。

較大型鍵盤式手風琴右手每一個鍵對應兩個簧片,當氣流吹動兩個簧片時兩個簧片產生的基波聲音頻率並不相同,相差幾Hz。這也會產生“拍頻”,造成顫音效果,也造成了手風琴的特殊音色。俄羅斯鈕扣式手風琴——巴揚,右手鍵盤每個鈕扣只對應一個簧片,因此沒有拍頻造成的顫音,所以俄羅斯手風琴的音色與普通手風琴不同,獨具一格。

說到“音色”,早期認為不同的音色是諧波含量不同造成的。例如吉他的空弦,靠近弦的中間撥弦和靠近弦的根部撥弦,人耳聽上去音高相同,但能夠分辨出兩個聲音並不相同。如果你不曾接觸吉他演奏,問問圈圈即可。@computer00因為兩種撥弦方式產生的聲音諧波含量是不同的,所以人們認為不同的音色是諧波含量不同造成的。

後來人們發現,兩個頻率相差不太多的振動,聽上去是一個單音,但因拍頻所產生的“顫動”也造成音色不同。這一點前面已經敘述過了。

再晚一些的研究又發現:人耳聽到不同的樂器,例如小提琴和長笛演奏同一音高的聲音,很容易分辨出是哪種樂器演奏的,顯然兩種樂器的音色不同。但使用電子技術把這段聲音的開始部分和結束部分去掉,只留下中間那段,人耳卻難以分辨,聽不出有什麼不同。那麼,“音頭”和“音尾”也就是振動開始時的不穩定狀態和結束時的不穩定狀態也會影響音色。豎琴和吉他都是撥絃樂器,但豎琴和吉他發出的聲音音色不同,很容易分辨出來,這是因為豎琴和吉他弦的固定方式有一些不同。

可見音色是非常複雜,而且帶有很大主觀成份的。

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