樂器如何產生聲音並塑造音色

振動是每種聲音的起點

根據由物理學家喬·沃爾夫領導的新南威爾斯大學音樂聲學組的研究，大多數樂器都依賴共鳴——物理系統在特定頻率下儲存振動能量的能力。被彈撥的弦、在氣流中嗡嗡聲響的簧片，或被木棒敲打的鼓皮，都開始於一個振動的物體，將空氣分子往返推動，創造傳入聽眾耳朵的壓力波作為聲音。

駐波決定音高

新南威爾斯大學研究組解釋，在弦或管樂器的管內，向相反方向行進的波相遇並結合成駐波圖案，其中稱為節點的固定點幾乎不動，而稱為反節點的其他點大幅擺動。因為弦或空氣柱只能在某些固定頻率下以這種方式振動——由其長度、張力或形狀決定——樂器會產生特定的、可重複的音高，而不是隨機噪音。

泛音賦予每種樂器其特色

振動的弦或空氣柱很少只產生一個頻率。新南威爾斯大學音樂聲學材料指出，它產生一個基本頻率加上一系列和聲——該基本頻率的整數倍。舉例來說，該網站指出，在中提琴的C弦上，第7和第11次和聲大約落在標準平均律音階的音符之間，說明真實的和聲序列與音樂家實際使用的音樂音階並不完全匹配。

這些泛音的特定混合——哪些響亮，哪些微弱——就是聲學家所稱的音色。新南威爾斯大學音樂聲學材料描述，這種泛音強度的混合是使長笛和雙簧管演奏相同書面音符卻聽起來明顯不同的主要原因，儘管音色也取決於聲音如何隨時間變化，如下所述。

什麼實際上啟動了振動

穩定的、聲樂般的振動不會自行啟動——它需要聲學研究人員所稱的非線性驅動機制。在美國聲學協會總結的一次講座中，物理學家托馬斯·羅辛描述了小提琴弓在弦上的摩擦、通過單簧管簧片的氣流，以及小號演奏者顫動的嘴唇如何將穩定的輸入——弓的運動或呼吸——轉換為產生聲音的往復振盪，而不是簡單地直線放大。

美國聲學協會也認可了古代的觀察，追溯到畢達哥拉斯，即當音符的弦長——因此它們的頻率——排列成整數比時，音符聽起來一起悅耳。真實的弦和管道與這個理想略有偏差，但啟動振動的相同非線性機制也傾向於將樂器略微不匹配的自然頻率拉進幾乎完全協調的聲音。

為什麼鐘不像小提琴那樣發聲

並非每種樂器都產生整齊的諧波泛音。美國聲學協會指出，鐘由於其鑄造的金屬厚度而以幾乎線性的方式表現，因此它們的泛音不是基本頻率的簡單整數倍——這正是賦予鐘其特有的「鐺鐺」聲質而不是清潔樂音的原因。根據同樣的說法，鈸由於強烈的非線性而混亂地振動，產生它們閃閃發光的、類似噪音的沙沙聲，而大型鑼則依賴非線性頻率倍增來產生它們密集、複雜的聲音。

音高範圍如何在樂器家族中不同

樂器設計也固定了樂器能夠達到的基本音高範圍，以及其泛音向上延伸的程度。麥克風製造商DPA麥克風為錄音工程師編製的參考數據列出了以下基本音高範圍和幾種常見樂器的諧波內容的近似上限。

該表顯示了為什麼鋼琴和小提琴可以佔據重疊的音高範圍，但仍然聽起來不同：除了書面音符本身，每種樂器在其上方添加其自身特有的高頻諧波能量傳播。

共鳴體使聲音足夠大聲可聞

振動的弦或簧片單獨移動的空氣非常少，本身幾乎不可聞。新南威爾斯大學音樂聲學材料解釋，樂器的身體——小提琴的背板、吉他的音板，或管樂器孔內的空氣柱——有其自身的共鳴頻率，可以放大和塑造振動，將其輻射到房間中作為可聞的聲音。同一來源指出，在人聲中，聲帶振動以產生原始音色，而聲道的共鳴，稱為共振峰，選擇性地提升某些頻率段來塑造元音聲和聲樂音色。

音色不僅僅是頻率列表

新南威爾斯大學音樂聲學組補充說，音色在很大程度上取決於音符如何隨時間變化，而不僅僅取決於其在單一時刻的頻率譜。聲音的包絡——它在弦被彈撥或鍵被敲打後達到全音量的速度、它如何持續以及它如何消退——是讓聽眾識別樂器的一部分，即使孤立的頻率內容本身在紙上看起來可能相似。