第2节乐音的三个特征

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乐音

第2节乐音的三个特征

一、本节三维目标要求

1.知识与技能

能从日常生活的直接感受中知道乐音有音调、响度和音色的区别。

常识性知道音调的高低与声源振动的频率有关，响度的大小与声源振动的振

幅和离声源的远近有关，不同发声体发出的音色不同。

2.过程与方法

通过观测声波的图形，初步学习利用仪器进行探究，观测图形进行分析的方

法。

3.情感、态度与价值观

通过观测波的图形，使学生初步体会到科学探究不能光凭人的感观，还要借

助于仪器，初步建立利用仪器进行测量的观念。

二、重点和难点

音色是本节的难点。乐音三特征中，音色对于学生难于从形成机理上做具体分析，只能通过生活实例使学生体会到乐音除音调和响度外还有音色的区别。

三、教学实施建议

（一）教学过程

1.情景创设、提出问题

开个小型音乐会，在活跃的气氛中，对乐音下定义。提出同样是乐音它们有什么区别的问题。启发学生自己得出声音有大小、高低之分，不同乐器发出的声音是有区别的。然后总结出乐音的三特征。再提出这些特征与声源振动状况有什么关系的问题。

2.过程展开

（1）试验探究音调的高低

组织学生用刻度尺做此试验。在学生观测的基础上进行探讨：刻度尺伸出桌面的长度不同，所发生的振动现象有什么不同?由此听到的声音有什么不同?主观感受的音调高低和刻度尺振动的快慢有什么关系?

再次提出频率的概念，并复习其单位。强调一下音调决定于声源振动的频率，一般状况下声源振动的频率大，主观感受的音调就高。

指导学生阅读“一些声的频率表〞，重温人耳可听声的频率范围及其对超声、次声的定义。

（2）设计响度的演示

学生根据生活经验比较简单猜测到响度与物体振动的幅度有关，因此可以再由学生通过自己设计的试验进行证明，例如利用将一根橡皮筋拉紧，轻轻拨动和重拨听一听所发出的声音有什么区别?

可以通过敲响队鼓，敲击由轻逐渐加重，让学生观测鼓面上泡沫塑料小球的跳动的变化，同时听鼓声的变化。启发学生自己得到响度与振幅的关系。

另外，轻轻摇动响铃，使前排学生可听到铃声。后排学生几乎听不见，说明响度还与离声源的距离有关。

（3）音色

播放不同的乐器演奏的同一个调的同一首曲子，让学生区分是什么乐器演奏的，进而向学生提出问题：你是凭什么区分出不同的乐器呢？学生会感性地认识到在音调响度都一致时不同声源发出声音的不同就是音色的不同。

（4）观测声波的图形

观测声波的图形的试验，主要目的是让学生比较形象地认识声波，同时引起他们学习的兴趣。

话筒把声信号转变为电信号，输入示波器后可在荧光屏上显示出相应的图象。通过演示，只要让学生知道看不见的声波可通过仪器显示，借助仪器是科学研究所必需的。

乐音

让学生通过观测两个频率不同的音叉发出声的波形，

获得具体的感性认识。使学生知道不同频率的声音在波形

上有什么区别。然后可让不同的学生在话筒前发声，观测

其波形。用不同的力敲击同一音叉，观测波形，使学生知

道不同响度的声音在波形上的区别。指导学生观测不同乐

器产生的声波波形的区别。波形图包含了乐音的三特征。

（二）材料准备与试验设计

1.试验材料准备

音叉、示波器、话筒、刻度尺等。

2.观测声波的图形：

器材:示波器(示波器的面板布置如图2-1所示)，音

叉(256Hz.440Hz.512Hz，频率低的效果较好)，话筒(卡拉

OK用，600n)，导线等。图

3-2-1

操作:将话筒的插头用两根带夹的导线跟示波器的Y

输入地相连(拨在AC挡)，接通电源，将同步开关拨在十挡，调理示波器辉度，Y轴衰减旋到1,Y轴增量旋到最大，直到屏上出现亮横线为止。对着话筒敲击音叉，或者讲话，调理Y轴增益，就会出现声波波形。

四、发展空间

（一）“自我评价〞参考答案

锥形纸筒能汇集声波，使更多的声播到达耳朵，因此，把锥形纸筒放到耳朵前，就能听到较为微弱的声音。把锥形纸筒放在嘴前，使声波集中定向传出，声波就可传得较远。

（二）“家庭试验室〞指导

家庭试验室中给出了两个自制乐器的做法，可让学生自己设计并描述乐器的做法，探讨怎样解决制作中产生的问题，以及怎样改变乐器的音调和响度。

五、教学资源

（一）参考资料

1.听觉

双耳是人的听觉器官，它十分灵敏．人的听觉能感受到的最小声压已接近于空气中分子热运动所产生的声压，能感受的频率范围约为20Hz～20000Hz，宽达十个倍频程(即十个“八

-12-2-212度〞)．人耳能感受的强度范围约为10Wm～1Wm，大小相差10倍．

1．级和分贝

在声学中声音的强度或压力常用级来表示，它的单位是dB(分贝)．这样上面说到的人耳能听到的最小的声音与最大声音之间强度相差1012倍，也就是声级相差120dB．

2．响度和响度级

一个声音在听觉感受上有多响，并不与这个声音的物理强度成线性关系．所以在普通声学中，除了有一套物理量之外，与之对应的还有一套心理量，用以表示声音在主观感受上的程度．一个声音有多响除了与它的强度大小有关外，还与它的频率高低有关．根据世界上大量国家对不同种族的大量正常人所测得的响度级与声压级和频率的关系，称为等响曲线，示于下图

乐音

图3-2-2

响度级的单位是phon(方)．一个声音的响度级等于等响的1000Hz纯音的声压级．与人的感受成正比的声音大小的量称为响度．响度的单位是sone(宋)．它是以响度级为40phon的声音的响度为1sone来定义的．两倍响即为2sone．试验说明，响度级每增加10phon，响度增加一倍．

3．音调

一个声音在听觉感受上有多高，主要与它的频率有关，但是它的强度也起很大作用．假使一个声音里包含大量频率成分，它的音调高低就更繁杂．

音调高低的心理标度单位为mel(美)．它是以1000Hz，40phon的纯音的音调作基准，定为1000mel．要是一个纯音听起来比它高一倍，即为2000mel，要是低一半就是500mel，依此类推。

4．双耳效应

人们判断声源的方向与距离，要靠两个耳朵来接收，特别是觉察声源运动，从嘈杂的环境中倾听一个较弱的声音等，靠的都是两个耳朵的功能，这称之为双耳效应．人们熟知的立体声就是利用双耳效应．双耳效应的主要作用，来自于声音到达两个耳朵的时间差．头部左右转动，可以提高声音定位的确凿程度．在有混响的地方，如音乐厅、电影院，定位只依靠最先听到的声音在两耳的时间差，这是立体声系统的根据

（王德昭、应崇福、李启虎、张家禄）

2.语言

语言是由语音(包括元音和辅音)按一定规则编排组合而成．在声学上来看，不同的语音特征，表达在它们具有不同的时间—频率特性上．

1。语言频谱和动态范围

人们日常谈话辐射的声功率平均约为10mW，耳语时最低声功率只有0．001mW；有训练的讴歌家最高可能产生1W的功率．所以语言信号的功率是不大的，可是它所能传递的信息是无限的．

语言频谱有两种，其一是表示语言整体长时平均特性的长时平均频谱。从现有的多种语言的测量结果来看，各种语言的长时平均频谱是大同小异的．语言信号的频带约在100Hz～10000Hz；主要频段约为100Hz～4000Hz．不传送基音的电话语言则定为300Hz～3400Hz，在每个频带之中语言信号的动态范围约为30dB．再加上不同频带之间低频最强的频率成分(约在300Hz附近)与高频最弱的频率成分还要有30dB～40dB的区别．。

标准的正常说话声级，在距发音人唇部一米处的声级约为65dB(男人高些，女人低些)。语言的另一种频谱是短时频谱．发音是一个连续慢变过程．用短时频谱来表示不同语音的声学特征．从声源看，语音声源可分为：准周期鼓舞、噪声鼓舞和脉冲鼓舞三种．有的语音是由它们三者的某种组合构成的，如浊辅音就可能是由第一种准周期鼓舞(声带振动)，再加上其次种或第三种噪声鼓舞所构成(如汉语的浊声母r，英语的浊辅音b、d、g)．

由于声道的不同形状可产生出不同语音，也就有不同的简正方式，表现在语音短时频谱上，称之为共振峰．

（王德昭、应崇福、李启虎、张家禄）

3．语言合成与语言识别

乐音

人们早就向往着让机器说话和听话．我国的“封神演义〞和西方的“天方夜谭〞都有着这种空想．有文献记载，我国唐代就曾有过用木头做的托钵僧，可以发出“布施〞的音来．这可以说是世界上最早的会说话的机器．18、19世纪西方也有用机械方法合成语音的．直到1939年才出现第—架采用电子线路的发音演示器．其工作原理是利用电子线路来模拟语音鼓舞声源，调整共振线路迫近语音频谱．人用键盘操纵，经长时间训练可摹拟人说话．现在采用数字信号处理技术和语言声学的基础知识与特征参数，已经可以合成出任何声音．让机器能听懂人说话，从而用口语指挥机器，做起来要更难一些．其基本原理，是利用实时的信号处理方法，提取语音信号特征，根据机器受过的训练，即所存贮的语音特征模式和必要的语音学、语言学知识，来做出识别和判断，这称为语言识别．语言识别可分为特定人语言识别和任意人语言识别．又可分为孤立音节、孤立单词识别和连续语言识别．广义的语言识别，还包括说话人识别。说话人识别又分两类，一类是说话人确认，即在已存有的某说话人资料的基础上，根据申请人的要求，确认申请者的发音与所存的资料是否同一个人．另一类是说话人鉴别，是根据所存的一群人的发音资料，从中找出当前被鉴别的语音材料的发音人．

语言识别的一个目标是实现语音打字，50年代就是以语音打字机来带动这一研究的．除语言识别之外，在充分利用语法、语意的基础上，又发展了语言理解系统．当把高层次的语言合成系统和语言理解系统结合在一起时，又可实现人机语言对话系统．总有一天可以实现人与计算机打交道，不完全只靠键盘输入和打印输出．这对公共场所的大量服务设施，有着特别广阔的应用前景．

（王德昭、应崇福、李启虎、张家禄）

4.音乐

音乐和语言一样长久，音乐声学是声学的古老的分支．音乐声学的研究内容包括声乐和器乐两方面．声乐方面也称讴歌声学，主要研究发音的机理，歌声的声学特性．器乐方面主要研究乐律和乐器的声学特性．

音乐上把一个倍频程，如从某一频率为f的纯音到2f频率之间的间隔，称之为一个八度。又把一个八度按频率比为21/12分成12等份，每一等份称为一个半音．每一个半音又分成100音分．

现代乐器制造所用的标准音调是A=440Hz．音分与音阶名称之间的关系见下表：

利用现代电子技术和计算机，根据音乐理论和声学数据，也可以实现计算机作曲和电子合成器乐演奏．

（王德昭、应崇福、李启虎、张家禄）

4.多普勒效应

当一辆警车向你驶来时，你会发现警笛声变高，当警车离你而去时，你又会发现警笛声变低；假使你坐在警车上，你听到的警笛声始终是一样的。当声源和听者（接受器）之间有相对运动时，听者所感到的这种频率的改变现象称为多普勒效应。

多普勒效应的命名是为了纪念奥地利科学家多普勒（ChristianDoppler，1803～1852）。100多年前（1842年）他发现了这一现象。为了证明这一效应，多普勒请一个乐队在一列火车的平板车车厢上演奏，他站在火车经过的道路旁，当火车驶近时,他听到的乐队奏出的音符比平日要高；当火车远去时，听到音调降低了。多普勒屡屡做试验，但是这次他坐在火车

乐音

上，乐队在道路旁演奏，多普勒得到了同