乐器如何产生声音和塑造音色

振动是所有声音的起点

根据新南威尔士大学音乐声学小组（由物理学家乔·沃尔夫领导）的说法，大多数乐器依赖于共鸣——物理系统以特定频率在振动中储存能量的能力。拨弦、在气流中嗡嗡作响的簧片或被木棒敲击的鼓皮都开始作为一个振动物体，将空气分子前后推动，产生传播到听者耳朵的压力波作为声音。

驻波设定音高

根据UNSW小组的解释，在弦或管乐器的管子内，朝相反方向传播的波相遇并结合成驻波模式，具有称为节点的固定点（几乎不动）和称为反节点的其他点（大幅摆动）。由于弦或气柱只能在某些固定频率处以这种方式振动——由其长度、张力或形状决定——乐器会固定在特定的、可重复的音高上，而不是随机噪音。

泛音赋予每种乐器其色彩

振动的弦或气柱很少只产生一个频率。UNSW的音乐声学材料指出，它产生一个基频加上一系列谐波——该基频的整数倍。例如，该网站指出，在中提琴的C弦上，第7和第11谐波大约落在标准等温音阶音符之间的中点，说明实际谐波级数与音乐家实际使用的音阶不完全匹配。

这些泛音的具体混合——哪些响亮，哪些微弱——是声学家所说的音色。正如UNSW的音乐声学材料所描述的那样，泛音强度的这种混合是长笛和双簧管演奏相同记谱音符听起来明显不同的主要原因，尽管音色也取决于声音随时间的变化，如下所讨论的。

什么实际上启动了振动

稳定的、音乐性的振动不会自动开始——它需要声学研究人员所说的非线性驱动机制。在美国声学学会总结的一次演讲中，物理学家托马斯·罗辛描述了小提琴弓对弦的摩擦力、通过单簧管簧片的气流和小号演奏者的嗡嗡嘴唇如何将稳定输入（弓运动或呼吸）转换为产生声音的来回振荡，而不是简单地以直线方式放大它。

美国声学学会也认可古代的观察（可追溯到毕达哥拉斯），即当音符的弦长——以及它们的频率——以整数比排列时，音符听起来令人愉悦。真实的弦和管子与这个理想情况略有偏差，但启动振动的相同非线性机制也倾向于将乐器略微不匹配的自然频率拉入几乎完全谐波的声音。

为什么钟声听起来不像小提琴

并非每种乐器都产生规整的谐波泛音。美国声学学会指出，钟以几乎线性的方式表现，因为它们铸造所用的金属厚度，所以它们的泛音不是基频的简单整数倍——这正是钟产生其特有的"叮当"音色而非干净的音乐音调的原因。按照同样的说法，铙钹由于强非线性而混乱地振动，产生它们闪烁、噪音般的嗖嗖声，而大的锣依靠非线性频率倍增来产生它们密集、复杂的声音。

音高范围如何在乐器家族之间不同

乐器设计也固定了乐器可以达到的基频范围，以及其泛音向上延伸的距离。麦克风制造商DPA Microphones为录音工程师编译的参考数据列出了以下基频范围和几种常见乐器的谐波含量的近似上限。

该表显示了为什么钢琴和小提琴可以占据重叠的音高范围但仍然听起来不同：除了记谱音符本身之外，每种乐器在顶部添加其自己的高频谐波能量的特征展开。

共鸣体使声音足够响亮以供听到

单独的振动弦或簧片移动的空气很少，几乎听不到。UNSW的音乐声学材料解释说，乐器的主体——小提琴的背板、吉他的音板或管乐器孔内的气柱——具有其自己的共鸣频率，可以放大和塑造振动，将其辐射到房间作为可听见的声音。同一来源指出，在人类的声音中，声带振动以产生原始的音调，而声道的共鸣（称为共鸣峰）有选择性地增强某些频率带以塑造元音和声音音色。

音色不只是频率列表

UNSW的音乐声学小组补充说，音色很大程度上取决于音符如何随时间变化，而不仅仅是其在单个时刻的频率谱。声音的包络——即弦被拨动或琴键被敲击后达到最大音量的速度、维持方式和衰减方式——是帮助听者识别乐器的部分原因，即使仅从孤立频率含量看，在纸面上可能显得相似。