声音三要素 · 音调、响度、音色【音频基础知识】

对于声音，我们似乎已再熟悉不过。但如果要你具体描述某一种声音，你会从哪方面入手呢？我们描述一个人的时候，可以使用性别、外貌、身高、体重等特征，而描述声音时往往会使用一些形容词，比如刺耳、低沉、响亮、微弱；或者说明具体的声音种类，比如风声、雨声、人声等。但这些描述似乎都只能“耳听”不能“言传”，更无法进行量化。我们需要更明确的属性，对这些形容词、名词做进一步定义。这就涉及到声音的三个基础且重要的特征：音调、响度和音色，也称为声音的三要素。

1 音调

“刺耳、低沉”，这其实是我们对声音高低的感觉描述，这一特征我们称之为音调。在物理定义上，声音是物体振动（比如我们的声带）产生的波，而音调由发声体振动的频率决定，频率越高（振动越快）则音调越高，听起来就越“刺耳”，反之音调越低、听起来就越低沉。

我们声带的振动频率，约在100Hz~10KHz之间，基本对应于常说的男低音至女高音的频率。而我们耳朵的听力范围仅限于频率20Hz ~ 20KHz，低于或者高于这个频率范围的声音，分别被称为次声波（＜20Hz）和超声波（＞20KHz），无法被人耳感知。

不难发现，虽然人耳的感知范围有限，但人类的发声频率完全包含于人耳的感知范围之内，这意味着任何人说的话，总能被耳朵捕捉到，每个人都有发声的权力，也总有一双耳朵能倾听到你的声音。 

2 响度

“响亮、微弱”，是我们对声音强弱的感觉描述，这种特征我们称之为响度。响度由发声体振动的幅度决定，当传播的距离相同时，振动幅度越大、则响度越大；相反，当振幅一定时，传播距离越远，响度越小，就是我们常说的“距离太远了，听不见”的原因。 

3 音色

“风声、雨声、人声”，是我们对各种音调、各种响度声音的综合感受，这种特征我们称之为“音色”。音色是一种“感官属性”，我们利用这种“感官属性”，能区分发声的物体，发声的状态，还能评价听感上的优劣，比如“钢琴声、二胡声”，比如“只闻其声，如见其人”，比如“悦耳、动听”等等。那么音色是怎么“产生”的，又由什么“决定”呢？前面我们了解到，声音是由物体振动产生的波，而物体整体振动发出的只是基音，其各部分还有复合的振动，这些复合的振动也会发出声音并形成泛音，基音+泛音的不同组合就产生了多样化的音色，声音世界才变得丰富多彩起来。我们一般认为音色由发声体的材质决定。 我们再通过表格对比一下这三种特征： 

带着上述的了解，我们看看下面的波形图，是一个声音振源在一段时间内的振动情况。 波形图的水平方向为时间轴，我们把相邻两个波峰、或相邻两个波谷在时间轴上的水平间隔称为波振动的周期（周期的倒数即为振动的频率）。波形图平面的竖直方向为幅度轴，波峰、波谷在竖直方向上距离的一半，被称为波形振动的振幅。有了上述基础设定后，我们可以将波形图从左到右，分为三个不同的阶段，分别使用蓝、红、黑三种颜色来区分。 

从左往右来看：蓝色波形和红色波形，在竖直方向上波峰、波谷的距离相同，但是红色波形在水平时间轴上更密集。此时，我们称蓝色波和红色波的振幅相同，但是红色波的频率更高（周期更短）； 

再继续往右看，红色波形和黑色波形，在水平方向上的密集程度相同，但是黑色波形在竖直方向上距离更长。此时，我们称红色波和黑色波的频率相同（周期相同），但是黑色波的振幅更大。 

结合之前对声音三要素的认识，我们可以认为：蓝色波和红色波的响度相同，但是红色波的音调更高；红色波和黑色波的音调相同，但是黑色波的响度更大。需要注意的是，这里没有引入泛音的影响，故不对音色进行区分描述。