辨析声音的三个特性

第３５卷总第５１０期　

２０１７年第１２期　物理教学探讨　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．５１０　１２．２０１７．５９．　

辨析声音的三个特性　

刘洪群　

山东省枣庄市第十五中学，山东枣庄２７７１００　

摘要：在学生学过《声音的特性》后，每当面对敲碗、敲瓜、叩诊、听诊器等问题请教老师时，不同教师的答案却是不　同的。究竟是音调起主要作用还是音色为主呢？本文将通过深层次的理论探究＋古今例证＋实验检测，让学生轻松得以鉴　别；同时，也促进学生理解探究的真谛，培养学生刻苦钻研的创新意识。　关键词：声音；音调；音色；响度；辨析特性　中图分类号：Ｇ６３３．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—６１４８（２Ｏ１７）１２—００５９—３　

《声音的特性》是人教版八年级物理课本第　

二章《声现象》的第二节内容。教材是通过演示实　验（可改为学生小组合作探究），示波器示波及计　

算机模拟声音的波形来学习和认知音调、响度和　

音色的。其特性中音调的决定因素频率、响度的　决定因素振幅和音色的决定因素发声体的材料　

与结构也是明显的。然而，每当学生面对敲碗、敲　

瓜、敲车轮、敲铁轨、叩诊、听诊器等题目请教老　

师时，答案却是不同的，甚至不同的教辅材料或　者不同地区的中考答案也各不相同，特别是新人　

职的青年教师更是一头雾水。　

我们通常说的“声音”：是指人类能够听到的　“声”．也就是可闻声。而声则包含着次声波、超声波　

和声音。《声音的特性》一节里不包含次声和超声　

部分。　

声音的发源地叫“声源”：任何做机械振动的物　体．均可在周围的弹性介质中激起弹性波，若频率　

在１６－－２００００Ｈｚ之间（中学课本给定２０－２００００　Ｈｚ．　

以后按此叙述），它就是一个声源。若频率低于２０　Ｈｚ　

则为次声源，频率高于２０　０００　Ｈｚ则为超声源，　次声和超声均不在可闻声范围内。乐器中管、弦、　

膜、板的驻波振动就是常见的声源。　

以两端固定弦的振动为例，端点是波节；振　

动是由各种可能的驻波所合成，最长成分波的波　长等于弦长的两倍，两端是相邻波节，相应的振　

动频率最小，称为基音频率；其他频率为基音频　率的整数倍，称为谐音频率（也叫泛音频率）。　，ｒ　弦的基音频率可由下式而定　—｝、／　。　Ｌ　Ｖ　

式中　表示弦长，　表示弦的张力（　与发声体的　

结构、材料有关），　表示单位弦长的质量（这与　

发声体的弦长、横截面积、材料有关）。正ｉｎ－－胡　的发声：调弦是改变７１，弦越紧，张力越大，弦振　

动的频率越快，音调越高。里弦粗，　大，音调就　

低；用指法按弦，Ｌ就变化，指位越靠下，￡越短，　

音调越高。管乐器分为开管、闭管两种，频率主要　

由管长决定，指法就是调节管长；鼓属于膜振动，　锣则是板的振动。　音调是由物体振动频率决定的．频率高的音　

调高，频率低的音调低；而发声体的固有振动频　率又是受多种因素的制约。　

音色：是听者所感觉到声音的特色。也称为　

音品和音质，纯音没有音色，复音才有音色的不　

同。　

一种声音就是一系列声波频率的组合（这一　

组合通常称为频谱），这种频谱由最低频率（称为　

基频、由此产生的声音叫基音）及许多基频整数　倍的高频（由此产生的声音叫泛音）组成。一般高　

频部分的响度比基频部分的响度小很多，而音调　

主要体现在声音频谱中的基频基音部分，音色则　体现于声音频谱中的高频泛音部分。　

音色主要决定于声音的频谱，即基音和各次　

收稿日期：２０１７—０７—１２　作者简介：刘洪群（１９６２－），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学工作，研究方向：中学物理课堂教学法及疑难　问题深探。课题“课堂教学中的自主探究”获山东省教育科学研究成果一等奖。

　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．５１０　

１２．２０１７．６０．　物理教学探讨　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　第３５卷总第５１０期　２０１７年第１２期　

谐音（泛音）的组成。跟声波的波形、声压及声音　

的时间特征有关系；也和发声体所发出声音的泛　音个数、频率分布、强度分布、距声源的距离、听　

者的年龄、经历、心情环境等有关系。　

从罔ｌ、２、３的波形图中可以清楚地看出不　

同声音的特性。音又、钢琴和长笛的基频（振幅最　

大的频率）相同即音调相同；音叉发出的是纯音．　钢琴和长笛发｝｛Ｊ的复音声波在基频的基础上还　

附加了一些小的振动，这些小的振动和大的振动　

一同决定了钢琴和长笛的音色　

图１音叉波形　图２钢琴波形　图３长笛波形　宏观上看音调的决定因素是频率，细分之处　

声源的『嗣有振动频率与发声体的结构和材料有　

关：音色也与发声体的材料及结构有关。因此，音调　与音色存在交叉关联部分，难以区分是必然的。　

具体到敲瓷碗听音辨好坏．大多数老师目前　

给学生讲的依然是音色，而人教版的教师教学用　

书（２００５年６月第２版．２００５年８月第３次印　刷）第４９页的答案却是：音调和音色皆有．相比　

之下．主要是根据碗的音调不同来判断的．十几　

年了未能改变老０￣ｉｆｌ＇］的思维定势。在敲瓜辨生熟　

的问题上．更是清一色地认为音色是主要的。即便　老师们进行集体教研讨论，也是公说公的理、婆　

说婆的理，谁都无法说服对方。　

下面的一个事例可能对老师们有所启发．唐　朝开元年问．洛阳有一姓刘的和尚．他房间内挂　

着一个磬有一天，刘和尚没有敲磬，磬却自动响　

起来了。这使他大为惊奇。他的一位好友曹绍夔　

精通音律，闻讯前来探望，经过一番观察．发现每　

当寺院里的钟响起来时，刘和尚房里的磐也跟着　响了。于是曹绍夔拿出锉来把磬磨去几处，从此　

磬就不再自鸣了。曹绍夔说：“这个磬的律跟寺院　

咀那【＿＿】大钟的律正好相同，因此只要寺院里的大　

钟一响，这个磬就跟着响起来（当策动力频率等　于或接近同有频率且“合拍”时就会发生共振现　

象）。我刚锉把磐锉了几下，它们的律就不相同　

了．所以撞那口大钟的时候，这个磬就不再跟着　

响了　曹绍夔所说的“律”，就是我们所指乐器的　“频率”．把磐锉了几下，磬的结构变了，磬的频率　

自然就变，磬的频率和大钟不相同了．就不会再　跟大钟发生共鸣了。　

瓷碗有破损时，会造成缺一小块或出现一些　裂缝．其内部结构与好的不同，敲击时它所发出　

声音的音凋和音色与好的都不相同。由于破损瓷　

碗原来振动的完整圆轨被破坏，使得振动的部分　

变长，造成频率变慢，音调降低；因此，通过敲击瓷　

碗辨好坏，音调为主、音色为辅。实验室里的音叉　

由于锈蚀、磕碰会造成频率的改变。不易完成共　鸣现象，这也是教师在实验时需要考虑的技术问题。　

图４、５是在２１１６微秒每格的示波器上获取　的瓷碗声波波形．不难发现好碗的振动频率明显　

高于破损碗，音调区别是明显的，应该为主，音色　

区别只能次之，这与人教版教师教学用书的答案　

是一致的　

—‘　ｌ　

ｆ　

图４好瓷碗的波形图　图５破损瓷碗的波形图　生瓜与熟瓜的音调不同．音色当然也不相　

同。但是，人耳对音调与音色的区别是有先后次　

序的，既然基频中的响度远大于音色中的高频成　分，那么人耳首先区别的是基频即音调有无差　

别；若此差别不大．人耳才会继续区别高频成分　

中即决定音色部分有何不同。生瓜与熟瓜的音调　已有明显差异．于是人耳对音色的差异就不敏感　

了。因此，通过敲击来区分生瓜和熟瓜主要还是　

音调的差别，音色即便有些作用也是次要的。另　

外，不同人通过敲击来区分生瓜和熟瓜还与人耳　以及大脑中听觉区域的结构和功能有很大的关　

系（即不同人对音调差异与音色差异的敏感度不　

同），还与不同生瓜、熟瓜的基频与高频相差多少　

密切相关。　

图６、７是１６９３微秒每格的示波器上获取的　生瓜和熟瓜声波波形．有经验的人听敲生瓜时感　

觉声音“瓷实”，“噔噔”地响，说明生瓜的音调高。　

熟瓜因内里沙瓤、空间膨大而沉闷，音调低且音　色丰富　

图６生瓜波形　图７熟瓜波形　

辨别人说话及乐器发声时．由于人的声带振　第３５卷总第５１０期　

２０１７年第１２期　物理教学探讨　

Ｊｏｕｒｎ￣ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ　Ｖｏ１．３５　ＮＯ．５１０　１２．２０１７．６１．　

动频率为８５一ｌ　１００　Ｈｚ，声带振动无固定的固有　频率，无法从音调和响度上确定是那个人，只能　

从音色上区分。乐器为了变调方便通常采用“等　

程音阶”，全音的后一频率是前一频率的Ｖ２　

倍，半音的后一频率是前一频率的　２倍。音乐　

中Ｃ大调“１”（Ｄｏ）音的频率　＝２６４　Ｈｚ，高八度　“ｉ”音的频率ｆ＝５２８　Ｈｚ，相差一倍频程；钢琴最低　音２７．５　Ｈｚ，最高音４０９６　Ｈｚ。一种乐器可以演奏　

多种乐曲．同样不能从音调和响度上区分乐器的　

种类，只能从音色上辨别　

为了更好地区分音调、响度和音色，现绘制　

表１，供老师和学生们浏览，不当之处敬请赐教。　

表１音调、响度、音色　

音调　响度　音色　

（音阶）　（音量）　（音质、音品）　

物理意义　声音的高低　声音的强弱　声音的特色　

①频率；②结构与材料（结构　①振幅；②听者与声源的距　决定因素　①材料；②结构（材料为主）。　为主）。　离（振幅为主）。　

音调高：声音清脆、尖细；音　响度大：震耳欲聋、吓我一　听声感觉　跳；响度小：轻声细语、我听　音色美：你的声音有磁性：　

调低：声音粗犷、低沉。　古琴声：幽雅、空灵、飘逸。　不见。　

１．敲瓷碗听声辨好坏；　１．中国海监８００２船１５３分　１．听其声知其人：　

２．中医里的“叩诊”：　贝的强声炮：　２．吹银元听音辨真假：　３．敲西瓜辨生熟；　２．飞机高速飞行时听到的　３．听音辨乐器种类；　

４．敲铁轨找松动螺母：　“音爆”：　４．“口技”模仿各种声音：　

５．“湄屿潮音”的慢咽管弦，　３．“狮吼功”：　５．倒转唱片的声音：　

如丝如诉：　４．“引吭高歌”：　６．“狼外婆”的声音：　鉴别举例　６．带与不带蜜的蜜蜂：　５．“低声细语”：　７．诈骗分子的“变声器”：　

７．快进磁带的声音；　６．上课了请安静：　８．锦城“丝管”日纷纷：　

８．敲或吹同样玻璃瓶装不同　７．牛声大蚊子声小：　９．胡琴琵琶与羌笛：　

水的声音：　８．听诊器诊断病情；　１０．《百鸟朝凤》中的各种鸟　９．往保温瓶里倒水；　９．扩音器扩音：　声。　

ｌＯ．“海豚音”：　ｌ０．用喇叭筒喊话：　ｌ１．你唱的真好听（指音质甜　

１　１．此曲只应天上有（指旋律）。　１１．嘴贴耳边“窃窃私语”。　美）。　

参考文献：　［１】顾建中．力学教程【Ｍ】．北京：高等教育出版社，１９７９．　【２】课程教材研究所物理课程教材研究中心．物理八年级　上册（教师教学用书）【Ｍ】．：ｌ匕京：人民教育出版社，２００５．　【３Ｖ，－民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究中　

心．八年级上册物理【Ｍ１．北京：人民教育出版社，２０１２．　

（栏目编辑　王柏庐）