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从傅立叶到泛音

 ChemAurum 2021-03-18

      我们常常说,音乐是没有文字的语言,如果用振动来解释音乐,我们可以说,音乐就是很多循环往复的波的叠加。何以见得?且听我慢慢道来。

      音乐由音符构成,不同的乐器演奏同样的音符,给人的感觉也不尽相同,这种区别我们称为音色。由于弦乐的发声原理比较简单(我们先略去用弓拨动琴弦这个过程,有兴趣可以查阅“自激振动”),我们先来看一根完整的弦,如果被拨离平衡位置,它会以规定的频率振动,倘若弦的总长度等于波长的一半,就称这时的频率为基频,也就是下面这张图最上面的情况。

      如果恰巧振动的弦出现一个或更多的点不发生振动(称为节点),那么相应的称这些频率的声音为泛音。不同的乐器具有不同的音色,就是因为它们同样的曲调却包含着不同的泛音比例。

      对任何音乐,都可以画出其波形,就是将其引起空气的振动转化为电信号,“拾音”,得到一组波形。但是,这样的波形非常复杂,我们无法获取信息。这时候,我们需要对它进行傅立叶变换。(学过的读者可以跳过下一段)

      简而言之,傅立叶级数就是使用一系列三角函数,来无限逼近已知函数。如果这一函数按段光滑(闭区间上,除了至多有限个第一类间断点的函数f的导函数在这一区间除了间断点外都连续,这些间断点两侧导函数的左右极限均存在),这一函数的傅立叶级数收敛于f。


是时候请出这一组动图了!

      简而言之,我想用一组函数来描述声音。函数前面的系数(振幅)作为纵轴,频率(也可以说是后面的n)作为横轴。关于更加详细的傅立叶变换参考网站https://www.cnblogs.com/h2zZhou/p/8405717.html,网站某些比喻较为不雅,不便转述。

     绘图之后,我们得到了响度-频率图。下面的视频中,使用E调竹笛吹奏sol(从基频到泛音),对声音进行傅立叶变换之后,可以更直观的理解泛音对音色的影响。(这里的频率是对数分布,为了便于观察)

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