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User:GWei13/Musical acoustics

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音乐声学 是一门多学科研究，融合了物理学[1][2][3],心理生理学[4],乐器学 [5](按乐器分类)、生理[6]、音乐理论[7],民族音乐学[8],信号处理和乐器制造[9] 以及其它学科的知识。 音乐声学是声学的一门分支学科 ，专注于研究乐音和乐律的物理学原理，即如何用声音 来创造音乐。 音乐声学的研究领域举例来说有 乐器 的功能， 人类的声音 ( 语音 和 唱歌 的物理学)，旋律 的计算机分析 ，音乐疗法的临床使用等 .

19世纪德国的赫尔曼 冯 亥姆霍兹 是音乐声学的先驱，他集医生, 物理学家 ,生理学家、音乐家、数学家和哲学家于一身，是一位颇有影响力的科学家。他的巨著 《音调的生理基础》 [7] ，开创性汇编了多种方法和研究结果，为音乐的感知从 音乐理论 ，音乐表现， 音乐的心理 和乐器的物理表现等多方面提供了全新的视角。

研究方法和领域

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物理特性

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小提琴演奏的频谱图。首先演奏一个音符，然后再提高五分之一音调。 白色短划线突出显示共享的部分。

任何时候，当同时演奏两个不同的音调时，他们的声波就会互相影响–气压的高低会相互增强，从而产生不同的声波。 任何重复声波，只要不是正弦波，都可以由多个具有个 适当频率和振幅( 频谱)的正弦波合成。人类 的 听觉系统( 有耳朵 和 大脑组成) 通常可以清晰分辨这些声音。 当两个或多个音调同时演奏时，耳朵“接受”了每一个音调的空气压力，然后耳朵和/或大脑分离并辨识该声音包含的不同音调。

当原始声源具有完美的周期性时，几个相关的正弦波(在数学上会彼此叠加)组成 音符，这些正弦波称为基音和谐波，分音，或者 泛音。该声音具有谐波 频谱。 最低的频率来源于基波，也是整个声波的振动频率。 泛音比基音振动快，但速度必须是基波频率的整数倍，使声波总体上在每个周期内完全相同。 真实的乐器接近周期性，但泛音的频率不是十全十美的，因此随着时间的变化，声波形状会出现轻微的变化。  

耳朵 鼓膜空气 压强 的变化及随之而来的身体和神经系统的处理和解释，产生了声音的主观体验。人们认为是音乐 的声音主要是由周期性 或者规律的振动组成，而不是非周期性的声音。换句话说，作为音乐的声音通常具有一个 明确的音调。 声音的变化是以声波 的形式 通过空气传播的。 非常简单的情况下，作为最基本一个声波模型，正弦波形有规律地增加和减少空气压力，并且听起来是一个非常纯的基调。 纯音可以由音叉 或者 吹口哨产生。 该音调的 频率是空气压力振荡速度 ，以每秒的振荡次数来衡量，单位 赫兹。 频率是感知音调的主要决定因素。 由于气压的变化，乐器的频率会随着海拔高度的变化而变化

乐器的音高范围

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C (音名)C (音名)C (音名)C (音名)锣struck idiophone管钟铙钹 (西乐)钟琴颤音琴钢片琴铁琴木琴马林巴木琴体鸣乐器定音鼓膜鸣乐器小号瓦格纳低音号柔音号中音号细管上低音号圆号號 (樂器)有键低音长号长号粗管上低音号大号大号大号铜管乐器风琴竖笛哨笛短笛长笛中音长笛低音长笛subcontrabass flutedouble contrabass flutehyperbass flutewestern concert flute familyside-blown flute笛口琴口琴手风琴簧风琴自由簧乐器倍高音萨克斯管高音萨克斯管中音萨克斯管次中音萨克斯管上低音萨克斯管低音萨克斯管倍低音萨克斯管萨克斯管倍高音单簧管高音单簧管中音单簧管低音单簧管倍低音单簧管单簧管单簧乐器双簧管柔音双簧管英国管赫格管双簧管大管倍低音管大管双簧乐器木管乐器气鸣乐器匈牙利大扬琴德西马琴钢琴齐特琴尤克里里班卓琴曼陀林吉他中音吉他电贝斯大键琴竖琴拨弦乐器小提琴中提琴大提琴低音提琴octobass提琴弓弦乐器弦乐器女高音女中音女低音男高音男中音男低音人声音域

*圖表僅顯示降到C0，雖然最低音單簧管（英语：Contrabass clarinet#Subcontrabass）（subcontrabass clarinet）延伸到B♭低於C。也有一些管樂器，諸如Boardwalk Hall Auditorium Organ（英语：Boardwalk Hall Auditorium Organ#64-foot Diaphone-Dulzian）延降到C−1（低於C0一個八度階）。


谐波，分音和泛音

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谐波规模

基音 是整个波振动的频率。泛音是高于基音频率的其他正弦波。 形成总波形的所有的频率包括基音和泛音，被称为分音。他们一起形成 泛音列。

频率是基音整数倍的泛音被称为谐波. 当泛音接近谐波，但不完全是谐波时，尽管有时候被简化为谐波，被称为谐波分音。有时泛音不在谐波附近，被称为分音或者非谐波泛音。

基音被认为是第一泛音和第一分音。 这样，分音和谐波的编号通常是相同的。 第二分音是第二个谐波，以此类推。但是，如果存在非谐波部分，则编号不再重合。 泛音的编号顺序高于基音。 因此严格来说，第一泛音是第二分音（通常是第二谐波）。 由于这可能令人困惑，因此通常仅使用谐波编号来表示谐波，而通过谐波与部分谐波的关系来描述泛音和分音。

谐波和非线性

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对称和不对称的波形。 红波(上)仅包含基音和奇次谐波；绿波(下)包含基音和偶次谐波。

当一个周期性波是由的一个基波和奇次谐波(f，3f,5f，7f,...)组成时，总的波形是半波 对称；倒置和相移后的波形完全相同。 如果含有偶次谐波(0f，2f、4f、6f,...)，这是不对称的波形；波形的顶部不是一个底部的镜像。

相反，改变波形(不是简单的扩展或位移)系统产生额外的谐波(谐波畸变)，这就是所谓的 非线性 系统.。如果是对称影响的波形，产生的谐波都是奇次的。 如果是不对称影响的谐波，至少产生一次偶次波谐(而且也很可能是奇次谐波)。

谐波

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如果两个同时播放两个简单节拍的音调（例如2/1，3/2或5/4），复合波仍然具有简短的周期性、声音听起来比较协和。例如，一个频率为200 赫兹的音调和一个频率300 赫兹的音调（200 赫兹以上的 纯五度，或者3/2拍）复合在一起，产生的声波以100赫兹的频率，即每1/100秒重复1次：300 赫波频率的声波重复三次，200 赫兹频率的声波波重复两次。值得注意的是，复合波的重复频率是100 赫兹，但是实际并没有100 赫兹正弦波组成部分。

此外，这两个音调还含有许多相同的分音。 例如，一个基音为200赫兹的音调在(200,) 400, 600, 800, 1000, 1200, ...等位置存在和音。

一个基音为300赫兹的音调在((300,) 600, 900, 1200, 1500, ...等位置存在和音。这两个音调在600 和 1200 赫兹色位置共享和音，并且在系列中进一步重合。

具有简短基音的声调组合后的声波，共享或者紧密相关部分分音，即产生和谐的感觉。 当两个频率接近一个简单的分音，但不精确时，复合波如果慢到声波消除时可以听到一个稳定的脉冲波而不是一个音调时，就产生了所谓的 拍频，这被认为是令人不快或 不和谐的。

拍频是两个声波的频率之差。 对于上述示例中，200 赫兹-300 赫|=100 赫兹。 作为另一个例子，一个组合3425 赫兹和3426 赫会击败一次，每第二(|3425 赫-3426 赫|=1 赫兹)。 这遵从于 调制 理论。

协和于不协和之间的差异定义不明确，但拍频越高，不协和的的可能性越大。亥姆霍兹 提出，当拍频为35赫兹时，不协和出现最明显。[1]

音阶

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一个音乐作品通常由一系列音符组合，称为 音阶。 因为大多数人无法区分 绝对音高，用两乐音之间的距离(称为 音程)来区分音阶。

在整个历史中，自然音阶是都是以书面形式出现的，每个 八度音阶由七个音调组成。 在 纯律中， 使用八度中的三个最简单的音程， 纯五度（3/2)， 纯四度 (4/3)，和 大三度 (5/4)，就可以很容易地组成一个音阶。因为大三度和纯五度是自然存在于 谐振器的泛音列 ，这是一个非常简单的过程。

下表显示了自然大调 的所有音符频率与音阶的第一音符固定频率之间的比率。

C D E F G A B C
1 9/8 5/4 4/3 3/2 5/3 15/8 2

自然大调中还可以使用其他音阶，例如 小调。 音阶，不仅仅只是音调，而且还有音程的调整，以满足所谓 律学的其他需求，其中最常用的是 十二平均律 。 律学，尽管掩盖了音程的声音纯度，但通常具有理想的属性，例如一个封闭的 五度圈。

另可参阅

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  • 声共振
  • 音流学
  • 音阶数学
  • 琴弦共鸣
  • 弦振动
  • 3号琴桥 (基于均等弦线划分的谐波共振)
  • 小提琴结构

参考文献

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  1. ^ Benade, Arthur H. Fundamentals of Musical Acoustics. Dover Publications. 1990. ISBN 9780486264844 （英语）. 
  2. ^ Fletcher, Neville H.; Rossing, Thomas. The Physics of Musical Instruments. Springer Science & Business Media. 2008-05-23. ISBN 9780387983745 （英语）. 
  3. ^ Campbell, Murray; Greated, Clive. The Musician's Guide to Acoustics. OUP Oxford. 1994-04-28. ISBN 9780191591679 （英语）. 
  4. ^ Roederer, Juan. The Physics and Psychophysics of Music: An Introduction 4. New York: Springer-Verlag. 2009. ISBN 9780387094700 （英语）. 
  5. ^ Henrique, Luís L. Acústica musical. Fundação Calouste Gulbenkian. 2002. ISBN 9789723109870 （葡萄牙语）. 
  6. ^ Watson, Lanham, Alan H. D., ML. The Biology of Musical Performance and Performance-Related Injury. Cambridge: Scarecrow Press. 2009. ISBN 9780810863590. 
  7. ^ 7.0 7.1 Helmholtz, Hermann L. F. On the Sensations of Tone as a Physiological Basis for the Theory of Music by Hermann L. F. Helmholtz. Cambridge Core. 1885 [2019-11-04] （英语）. 
  8. ^ Kartomi, Margareth. On Concepts and Classifications of Musical Instruments. Chicago: University of Chicago Press. 1990. ISBN 9780226425498. 
  9. ^ Hopkin, Bart. Musical Instrument Design: Practical Information for Instrument Design. See Sharp Press. 1996. ISBN 978-1884365089. 

外部链接

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