涨知识 | 音色、基音、泛音

枫萧寒湘

涨知识 | 音色、基音、泛音

别急， 今天不是要介绍邓丽君，而是要讲讲有经验的工人师傅听机械噪声的音色变化可以判断机器故障的原理。



问：老师，为什么俺师傅听机械噪声的音色变化就能判断机器故障？

答: 首先，恭喜你有一位经验丰富的师傅！上初中物理时，我们了解了声音的三个特征：音调、响度、音色。振动频率决定声音的音调，振动能量与距离发声体远近决定声音的响度，而物体发声不同与音色直接相关。



那什么是音色？同一首乐曲，分别用钢琴、小提琴演奏，我们能轻易地分辨；当你感冒时，为什么别人一听就知道你感冒了？同一个人的嗓音随着年龄的增长而变化。



声音的本质是振动，音色主要和组成声音的频率成分相关。乐器或人声等自然发出的声音，往往不是单一频率的纯音，而是包含若干不同频率的复合音。由于声音的波形具有周期性，根据傅里叶变换理论，所有复合音均可分解成若干个不同频率纯音的叠加。这些频率都是某一频率的倍数，该频率称作基频，即复合音的基音。假设某个声音的基频为f，则频率为2f的纯音称为第一泛音，频率为3f的纯音称为第二泛音，分别对应频谱中的一次谐波、二次谐波等。例如la的基音是440Hz，泛音则包含880Hz、1320 Hz、1760 Hz、2200 Hz等一系列谐波。



正是基音和泛音的不同组合造就了千姿百态的音色。基音只决定音调，泛音的数量和强弱才是决定音色的关键。因此，即便用钢琴、小提琴弹奏同一音调，因产生的泛音不同，二者音色也截然不同。



一般而言，声乐的谐波成分越多，音色越优美、圆润，给人以赏心悦目的感觉；反之，谐波成分越少，则音色越差，感觉听起来“发涩”。



所以在机械行业，工人师傅用螺丝刀便可听出机器内部运转是否正常，是根据机械噪声的音色变化来判断的，机械噪声通过螺丝刀传到耳朵的效果较好。