用频谱分析法认识声音的基本特征，本文主要内容关键词为：频谱论文,基本特征论文,分析法论文,声音论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在中学物理教科书中，对于声现象的认识手段主要还是用耳朵去听。不过，借助音响器材和多媒体技术，通过对声音的频谱分析，可以对声音进行更深入的观察和认识。
频谱图是代表瞬间声音中各个频率成分分布的图形，图形的横轴表示频率值，纵轴是横轴频率点所对应的声音音量大小。频谱图既代表声音的频率构成，也反映了各频率分量的比重，因此由频谱图可以对声音进行更客观的认识。
具体做法为用话筒拾取声音，将拾取的声音送调音台放大（注意不要对声音进行频率补偿，防止影响实验效果），将调音台输出送电脑的声卡音频输入，在计算机中用专业音频软件实时对声音信号采集、分析。
硬件频谱分析仪是一种用来对被测信号进行频率及频谱分析的重要测量仪器，广泛应用于电声测量领域。随着数字技术的飞速发展，这种复杂仪器已经可以在一台普通的多媒体计算机上用软件来实现。如软件SpectraLAB的性能相当不错，实时响应速度非常快。与硬件设备相比，它还具有独到的优点：操作、显示界面友好，帮助文件也很详尽。
一、SpectraLAB对系统软硬件的要求及使用
1.SpectraLAB对系统的要求不高，最低要求包括以下内容
（1）软件：Windows95/98，或WindowsNT/Windows 2000/WindowsXP。绝大多数计算机也都能满足其软件要求。
（2）硬件：IBM PC或兼容机，80386 DX CPU或更高，最少8 MB内存，256色以上VGA彩显，最少4 MB硬盘空间，16位声卡。目前，几乎所有的计算机都能满足其硬件要求。
2.SpectraLAB的使用
（1）选择工作模式。它共有3种工作模式：
①实时模式（菜单Mode/Real Time）：在输入信号的同时进行实时测量，信号既可以是来自外部的模拟音频信号，也可以是计算机内部正在播放的音频流。
②录音模式（菜单Mode/Recorder）：这时候的频谱仪相当于1台录音机，可以边录音边实时测量，并把录制的音频信号保存下来。
③后处理模式（菜单Mode/Post Process）：用于对已有的音频波形文件进行分析。
（2）为了便于观察，还要熟悉软件的显示界面，在软件上端的View菜单中可以选择显示界面，根据需要进行选择。常用的有2种。
①Time Series：时间序列，显示音频信号的时域波形曲线，即振幅时间曲线，此时它相当于示波器的显示屏。
②Spectrum：频谱，显示音频信号的频谱曲线，即振幅频率曲线，从图1中可以清楚地观察到声音的频率及相对振幅。对声音进行频谱分析应选择该显示界面。
（3）SpectraLAB还可以根据被测试的音频信号实时计算出信号的各种指标，可以在Utilities菜单内选择参数。下面是几个与实验关系密切的参数：
①Peak Frequency：峰值频率，即整个信号频谱中最强成分的频率。
②Peak Amplitude：峰值振幅，即整个信号频谱中最强成分的振幅。
二、用频谱分析法认识声音的基本特性
1.声源振动产生的并不是单一频率的声波
对于声音的“音调取决于物体振动的频率，声源振动的频率越高，音调越高；声源振动的频率越低，声音的音调越低”的结论，大家印象非常深刻。由此往往造成一种错觉，就是振动物体发声的频率是唯一的，是单一频率。下面以结构较简洁的音叉的频谱图为例进行说明。
图1-a的频谱图中音叉的峰值频率显示为419 Hz，图1-b的频谱图中音叉的峰值频率显示为506 Hz。除峰值频率外，可以发现在它们的频谱图中都还有若干个幅度不同的频率成分，但振幅都较小。图1中显示的音叉的峰值频率都接近音叉标出的频率，说明物体振动发出的声音音调是由其峰值频率（又称为基频）决定的。由图1可以发现，各频率分量和基频之间还有数量关系，各频率分量的频率和基本频率接近整数倍的关系。
2.不同频率的声音，衰减程度不同，实验发现，频率越高，衰减越快；频率越低，衰减越慢
仍以峰值频率为506 Hz音叉为例进行说明。图2显示的是峰值频率为506 Hz的音叉在不同时刻的频谱图，图2-a是起始时刻，图2-b是稍晚时刻的频谱图。从图2中可以看出，峰值频率（基频）在这段时间内衰减很少，而各频率分量则衰减较大。且频率越高，衰减越快。图2中10 kHz的频率分量衰减很快；在1 kHz和3 kHz之间的一分量在图2-a所示时刻振幅还较大，而在图2-b所示时刻则出现了较大幅度的衰减。总之，从图2中明显可以观察到各分量的衰减与自身频率有关，频率越高其强度衰减越快；频率越低其强度衰减越慢。
3.不同乐器发出相同音调的声音，音色不同，关键在于声音频谱构成的不同
实验对拾取钢琴和笛子及小提琴等乐器发出的音调相同的声音进行比较。
图3是钢琴发出的C调（do），图4是小提琴发出的同一音区的音调。比较图3、图4可以发现其基频基本一致，但它们的谐频的成分、幅度却有很大的不同。正是由于其频谱组成的不同，才使人感到其音色的不同。而之所以有不同的频谱图，关键还在于两种乐器的结构、制作乐器使用的材料不同。
总之，通过频谱分析的方法，加深了对声现象的认识。频谱分析法和常用的聆听、观察声源的振动图象等方法相比，更加直观，可以对声现象有更深刻的认识。