声音基础:波形/音调/陪音/和声和分音/频谱及声音属性

从技术上来说，声音是物理能量（如拍手）到空气压力扰动的转换。空气压力中的这种改变通过空气以一连串振动（声波）的形式传播。声音振动也可以通过其他介质传播，如墙壁或地板。

如果振动以周期形式传播，我们就说声音具有波形。

上图显示了正弦波的示波图（图形显示），这是最简单最纯粹的波形。

如果振动不以可辨别的形式传播，则声音就称为噪声。

波形的重复（示波器中的每个波峰和波谷）被称为循环。每秒钟发生的循环数决定波形的基本音高，通常称为频率。大部分乐器都可以提供振荡器频率控制，以赫兹 (Hz) 为单位，用于确定每秒的循环数，从而决定声音的基本音高。

音调、陪音、和声和分音

声音的基础或核心频率被称为基础音调。

所有声音的波形（基本正弦波除外）都由基础音调和不同频率的多种其他音调组成。

基础音调整数倍的非基础音调被称为陪音或和声。带有频率且组成基础音调一部分的音调被称为分谐波。

• 基础音调被称为第一和声。它通常比其他和声声音更大。
• 以两倍于第一和声频率弹奏的音调称为第二和声。
• 以四倍于第一和声频率弹奏的音调称为第四和声，以此类推。

每一种这样的和声都有一种不同于基础音调的音色质量。大体来说，整数倍或能被整数（如八度音程、奇数或偶数和声）除尽的和声听起来都更具“音乐感”。

不是整数倍或不能被整数除尽的音调称为不和谐陪音或分音音调。当您将大量这类不和谐陪音组合在一起时，听起来就会显得“嘈杂”。

不是整数倍的非基础音调被称为分音。

频谱

将基础音调与不同电平的多种和声结合起来时，听起来就会像声音。这些声音元素之间的电平关系会随时间改变（由包络控制，在放大器包络概览中会讲到）。大量和声的合并被称为和声频谱，或者更常见的说法是频谱。

频谱显示声音中的所有单个声音元素。由低到高显示，并随时间从左到右播放。所有和声的相应电平以垂直方式表示，尖峰脉冲越高表示电平越高。

插图显示在特定的时间点，基础音调和和声之间的电平和频率关系。这些关系会随时间不断变化，造成频谱的不断变化，从而引起声音的变化。

其他波形属性

除频率外，声波的其他属性包括振幅、波长、周期和相位。

振幅：波形的振幅表示气压改变的量。可以视为从零气压或“静止”（在插图中的 0 dB 处显示为水平线）开始的最大垂直距离。换一种说法，振幅是水平轴和波形峰值顶部（或波形波谷底部）的距离。

波长：波长是给定频率波形的重复循环间的距离。频率越高，波长越短。

周期：波周期是完成一次整个波形循环旋转所花费的时间。频率越高越快，波的周期就越短。

相位：相位与波形之间的时间形成对比，以 0 到 360 度计算。

当两个波形在同一时间开始，就称它们相位符合或相位对齐。如果一个波形稍微迟于另一个波形，则称它们偏离相位。

【注】要辨别整个波周期的固定相位差异并不容易，但是如果其中一个波形的相位随时间改变，那就可以听出来。这在常见的音频效果（如镶边和相位移动）中会发生。

当您播放两个偏离相位的相同声音时，某些频率组件（和声）会相互抵消，从而在这些区域中生成静音。这被称为相位消弱，发生在相同频率在同一电平处交叉的情况中。

显示了 0 度和 180 度的相位。

傅立叶定理和和声

根据傅立叶定理，任何周期性波都可以看作某个波长和振幅的正弦波的叠加，这些正弦波的波长有着调和的关系（小数字的比率）。用更接近音乐术语的话来说，这意味着任何带某个音高的音调都可以被当作一个正弦音调（包括基础音调及其和声或陪音）的混音。例如，基本振动（基础音调或第一和声）为“A”（220 Hz），第二和声的频率加倍（440 Hz），第三和声振动的速度是三倍（660 Hz），接下来的和声的速度就是四倍和五倍，以此类推。

波形的基础音调和和声之间的电平关系与基本声音颜色或音色相关。

波形类型

• 正弦波：正弦波听起来清晰明了，只包括第一和声；也就是说，它是基础音调。正弦波（单独使用）可用于创造“纯净的”声音，如口哨声、湿手指放在玻璃杯边缘的声音、音叉声等。

• 锯齿波：锯齿波听起来清晰明亮，包含奇数和偶数和声，以及基础音调。非常适合于创造弦乐、背景音、贝司和铜管乐器声音。

• 方波和脉冲波：方波听起来空旷而有木质感，包括多种奇数和声，以及基础音调。创造簧乐器声音、背景音和贝司声音时很有用。也可用于模拟脚鼓、康茄鼓、嗵嗵鼓和其他打击乐器的声音，通常与其他振荡器波形（如噪声）混合。

可以使用脉冲宽度调制 (PWM) 控制来重新调整方波的形状，使波形循环（或脉冲）的形状更加像方形。波的形状越像方形，听起来就越具谐振效果。使用这种方式调制方波时，方波被称为脉冲波，包括少数和声。它可用于簧乐器、贝司和铜管乐器的声音。

• 三角波：三角波只包括奇数和声和基础音调。三角波中较高的和声的滚降速度比方波中较高和声的滚降速度快，所以三角波听起来更柔和。适用于创造长笛声音、背景音和嗓音“哦”。

• 噪声：白色、粉红和红色、蓝色：模拟打击声音（如小军鼓、风声和海浪声等）时，噪声很有用。除列出的几种颜色之外，还有更多噪声波颜色，但是这些颜色在合成器中很少出现。

白色噪声：合成器中最常见的噪声波形。白色噪声包含中央频率附近的所有频率（最高电平）。

粉色和红色噪声：这些噪声颜色也包括所有频率，但是它们在频谱中不处于最高电平。粉色噪声会将较高频率的电平按每八度音程降低 3 dB。红色噪声每八度音程降低 6 dB 电平。

蓝色噪声：蓝色噪声与粉色噪声相反，它会将较高八度音程中的所有频率的电平升高 3 dB。

您可以改变基本波形来创造新波形，这样会带来不同的音色（或声音颜色），从而扩大您可以创造的声音调板。

还有许多种方式可以重新塑造波形，其中最常用的一种就是更改方波的脉冲宽度。其他方法包括更改相位角度，移动波形循环的开始点，或合并多振荡器合成器中的多个波形。

使用这些方法以及其他方法重新塑造波形时，基础音调和其他和声之间的关系会发生改变，从而会改变频谱和产生的基本声音。

于2023年12月29日15:12分在本篇中补充了关于声音科学背后的数学的视频：我们听到声音是因为我们的耳朵可以检测到空气中的振动，这些振动来自日常物体、扬声器和其他说话的人等来源。为什么某些音乐间隔听起来是这样的？电子乐器是如何制造的？这段视频将讲述声音频率、波形和背后的数学。