浅析音调与响度

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  在2006年春节联欢晚会上,歌手阿宝用原生态唱法以极其罕见的高音给观众留下了深刻的印象,有一位专家在评价阿宝的演唱时说:“你的歌曲唱得很有味道,能唱到两个high C,比世界著名的三大男高音之一的帕瓦罗蒂还高出整整八度,”这就是常说的“天籁之音”,指声音的音调高,而“姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船”中描写的钟声,则是指这所寺庙里的巨钟发声的音调比较低。
  音调是指声音的高低,“高”是指声音听起来尖锐、尖细。如清晨听到的小鸟清脆的叫声,而“低”是指声音听起来粗旷、沉闷,比如敲击大鼓时,鼓发出的声音低沉、稳重,我们就说鼓声的音调低。
  音调的高低决定于声源振动的频率,频率越高则音调越高,频率越低则音调越低,频率是声源1s内完成周期性振动的次数,单位是赫兹(Hz),如300Hz是指声源1s内振动了300次。
  我们可以进行如下实验,感受音调与频率的关系。
  


  实验一:如图1所示,用一只手将钢尺紧压在桌沿上,第一次伸出桌面的长度为10cm左右。第二次伸出桌面的长度为15cm左右,另一只手用相同的力度轻拔钢尺一端,比较钢尺振动的频率及声音的音调。
  我们可以观察到第一次钢尺振动较快,振动频率较高,声音音调较高;而第二次钢尺振动相对较慢些,振动频率较低,声音音调较低。
  实验二:如图2所示。用手轻轻捏住喉结两侧,依次轻轻唱出“1、2、3、4、5、6、7”七个音,我们可以感觉到声带的振动越来越快,我们听到的声音越来越尖细,音调越来越高。
  常见的弦乐器,比如二胡、小提琴等,发声的音调与弦的材料、粗细、松紧和长度有关,同样材料的弦,松紧程度、长短相同时,弦越细,音调越高,弦越粗音调越低;粗细、长短相同时,弦越紧音调越高,弦越松音调越低;粗细、松紧程度相同时,弦越短音调越高,弦越长音调越低。
  一般说来,在打击类乐器中,我们还会有这样的经验,就是物体质量越大,音调越低;质量越小,音调越高,古代编钟可以演奏出高低不同的声音,就是因为它们的质量不一样,质量大的音调低,质量小的音调高。
  管乐器是通过开、闭不同的孔,改变管内空气柱的长度,从而改变了空气柱的质量,吹出音调不同的声音,一般地说,空气柱越短音调越高,如灌开水时,随着水面的上升,听到声音的音调会越来越高。
  响度也称声强或音量,它表示人耳所感觉到的声音的强弱,例如,轻轻敲锣听起来声音较弱,是响度小;使劲敲锣就会震耳欲聋,感到声音很强,是响度大,响度的大小主要取决于声源振动幅度的大小,如图3的击鼓实验就验证了这点,鼓面上放些小纸屑,轻轻击鼓,会看到纸屑跳得很低,振幅小,响度小;如果使劲击鼓,会看到纸屑跳得很高,振幅大,响度大。
  


  响度的大小还与人耳距离声源的远近有关,因为声能在传播过程中会逐渐分散,所以响度逐渐减小,例如,用电钻钻孔时发出的轰鸣声,持钻工人被振得耳朵不能忍受,站在远处的人就觉得轰鸣声弱得多,医用听诊器,就是利用塑料软管将声能集中起来,避免传播过程中因声能分散而减小响度,从而让医生更好地听清身体内发出的声音。便于对身体状况做出准确的判断。
  在生活中。为了使声音听起来更响或传得更远,常将声音通过话筒传送到扩音器放大后播放。使声音的响度更大。
  我们在生活中常用分贝(dB)来划分声音响度的等级:人耳听到的最弱的声音叫听觉下限,我们规定为0dB;轻声耳语约10-20dB;正常交谈约40-50dB:而飞机起飞约130dB左右。
  从以上的分析我们可以看出声音的“高低”和“强弱”在物理学上是两个不同的概念,(1)物理意义不同,音调是指声音的高低;响度则是指声音的强弱;(2)决定的因素不同,音调由声源振动的频率决定,振动频率越高,音调就越高;响度是由发声体的振幅所决定的,振幅越大,响度越大;(3)跟发声体距离的情况不同,音调的高低跟距离发声体的远近无关,不管在哪里,听到的同一声源发出的声音,其音调总是相同的,女C调的“do”每秒钟振动261.6次,则凡是每秒钟振动261.6次声音的音调就已经确定,即为C调的“do”,响度则跟距离发声体的远近有关,离发声体越近,其响度越大。
  现在我们再来看看日常生活中的一些说法,“男低音、女高音”歌唱家、“这歌曲音太高,唱不上去”,这里的“高、低”指的是音调高低,“引吭高歌、低声细语”,这里的“高、低”指的是响度的大小,又如我们看电视时,常说“把声音调得高些或低些”。这里的“高、低”指的是声音的响度,利用音量开关就可以控制声音的强弱(响度)。
  虽然平时的说法中声音高低有时指音调,有时指响度,而物理学中的用语要求清楚准确、含义惟一,不能产生歧义,所以在物理语言中,声音的“高”、“低”只用来描述音调,声音“强弱”只用来描述声音的响度,在学习中不注意声音强弱和高低的区别,会造成音调和响度两个不同的概念模糊不清,这在学习中应该引起特别注意。
  


  下面我们再通过几道典型试题的解析,加深对音调与响度的理解,
  例1 图4是观察音叉发出的声音的波形图,请据此比较声音的特征,
  (1)比较A、B波形可知,这两种声音的______相同,______不同;
  (2)比较B、C波形可知,这两种声音的______相同,______不同。
  解析音调由振动频率决定,A与B的振动频率相同,所以A、B的音调相同;响度由振幅决定,A的振幅大于B的振幅,所以A的响度大于B的响度,B、C的振动频率不相同,音调不相同;B、C的振幅相同,响度相同。
  例2如图5所示有一竹哨,用嘴吹可以发出声音。
  (1)不拉动细铁丝,布团不移动,增加吹气的力量,声音如何变化?
  (2)用同样大小的力吹竹哨时,将布团逐渐向右拉动时,声音又会有怎样的变化?
  解析不拉动细铁丝,布团不移动,增加吹气的力量,声音响度增大,但音调不变;将布团逐渐向右拉动时,声音音调降低,响度不变。
  此时的发声体是竹哨内的空气,布团不动,空气长度不变,所以声音的音调不变;而增加吹气的力量时,使得空气的振幅变大,所以响度增加,而当布团向右运动时,空气柱的长度增加,所以声音的音调变低;而吹气的力量不变,空气振幅不变,所以响度不变。
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