為什麼我們能聽音辨色？

相信大家都曾在城市的某個角落裡聽到過《二泉映月》這首曲子。

可能很多人跟我一樣，並不是靠旋律辨別出這首曲子，而是通過二胡那獨有的音色……

類似地，很多時候我們並沒有親眼看到演奏過程，但我們卻辨別出了正在發出聲音的是哪種樂器。這是為什麼呢？

老師告訴我們：

聲音具有三個要素：音量、音調、音色。

發聲體振動的幅度決定了聲音的音量。

振動的頻率決定了聲音的音調。

而哪怕是兩個樂器用同樣的音量和音調演奏同樣的旋律，我們依舊可以把它們區分開來。

這是因為，不同的樂器有著不同的音色。

確實，在我們受到的基礎教育中，響度和音調都有實際的意義。

而音色就顯得虛無縹緲了很多。

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那麼問題來了，音色到底是什麼？（視頻很好看哦~）

科普:「音色」的本質是什麼？ 為什麼二胡拉歡樂頌都那麼喪_騰訊視頻 https://v.qq.com/x/page/k0502zrl2bu.html

我們重新來看一遍這張圖：

圖上這個聲波的長相是一個標準正弦波，我們管這樣的聲音叫「純音」。

但實際上，只有音叉這樣的樂器可以發出接近正弦波的純音。

其他樂器發出的聲波長什麼樣呢？

以小提琴為例：

也就是說，音色就是聲波的「長相」。

因為不同的樂器有著不同的演奏方式和發聲腔體，所以它們發出聲音的波形有著不同的長相，在我們聽來不同的樂器便有了不同的音色~

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看完剛才的解釋可能許多人會有這樣的疑問，為什麼樂器可以發出長相如此奇怪的波？

這是因為，實際上樂器發聲時的振動狀態十分複雜。

以一根弦為例，當這根弦發生振動的時候，理論上它有無窮種可行的振動狀態。這裡列舉幾種：

而每種振動狀態又會發出頻率相互成正整數倍的聲波。（也就是XHz、2XHz、3XHz、4XHz……）

那麼問題來了：哪種振動方式會最終出現在這根弦上呢？

答案是：都會出現！

這根弦會處於一種灰常複雜的振動狀態，相當於所有理論上的振動方式疊加在了一起。

這樣就會發出各種頻率的小聲波，這些小聲波又會疊加成類似這樣波形十分複雜的大聲波。

所以，如果說音色的定義是 大聲波 的長相。

那麼音色的本質就是 小聲波 的組合疊加方式。

是不是灰常神奇？一些簡單正弦波竟可以疊加如此複雜的波形。

其實理論上講，所有周期函數都可以被一條條簡單的正弦波疊加出來，傅里葉說過這樣一句話：

上帝有一堆標準的正弦函數，他任意地挑其中的一些出來，能組成宇宙萬物。這些正弦函數從最開始就沒有變過，我們看到的變化都是組合的變化。

呃……好像扯遠了……

言歸正傳

其實，音色的形成原理告訴我們，聲音作為一種機械波，是可以相互疊加的。

那麼，大家不妨思考這麼一個問題：

你在聽一段交響樂的時候，是分別聽到了每個樂器發出的聲音么？

其實不是，因為聲音傳入我們的耳中，引起耳膜震動讓我們聽到聲音。

而我們耳膜的振動方式是唯一的，所以，實際上我們聽到的是所有樂器發出的聲音全部疊加之後的聲音~

我們來看看這個疊加後的聲音長什麼樣子（1812序曲-柴可夫斯基（時長14分47秒））：

如果放大來看的話……（其中的一小段（時長0.04秒））

這個波的長相可以說是灰常複雜了。

不過，這段聲音在機器看來只是一段連續的波。為什麼我們能從中聽出來不同樂器的聲音呢？

這是因為，我們的大腦對聽到的聲音做出了完美的分析處理，相當於還原出了這些樂器聲音疊加之前的樣子。

嗯~我們的大腦真的是棒棒的~

好啦~今天的科普到此結束了。

最後，就用尼古拉·特斯拉的這名言作為結尾吧：