音乐中的科学知识
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音乐中的科学知识
Contents
1 2 3
音乐是一种声波
从物理角度理解音乐
乐器简介 人体声乐 音乐的转换与存储
4
5
1.1 音乐是一种声波
1.1 音乐是一种声波
波动是自然界常见的、最重要的物质运动形式
波动： 振动在空间的传播过程
经典波
机械波：机械振动在连续介质中的传播(需要介质) 电磁波：交变电磁场在空间的传播（无需介质）
2.3 音律学
八度音程：某一组声音，如果它们的频率是严格地按照2n的规律排列的话，它们听 起来才是一个“等差音高序列”。八度音程是关系是音乐中最基本的关系。一个音 的所有“八度音程”都是它的“谐波”。 在一个八度音程内（F~2F）找与主音的和谐程度最高的音：3/2F、4/3F 三分损益率：取一段弦，“三分损一”，即均分弦为三段，舍一留二，便得到3/2F。 如果“三分益一”，即弦均分三段后再加一段，便得到4/3F。 五度相生律：毕达哥拉斯学派认为弦长比分别为2：1、3：2、4：3时发出的音都是 极其完美的。五度相生律以一个音为基础（假定其弦长为1），连续向上向下两个方 向同时生律（向上即弦长缩短为前一个音的2/3，音提高纯五度；向下则是弦长增长 至前一个音的3/2，音则降低纯五度）。相邻两音频率比9:8
小号
短号
柔音号
法国号
来自百度文库
进行曲号 萨 克 斯
低音号
苏沙号
按键长号
3.5 乐器简介：打击乐器的发声原理
原理：打击乐器是一种以打、摇动、摩擦、刮等方式产生效果的乐器族群。打击乐 器可能是最古老的乐器。有些打击乐器不仅仅能产生节奏，还能作出旋律和合声的 效果。 分类：（1）“革鸣乐器”也叫“膜鸣乐器”，就是通过敲打蒙在乐器上的皮膜或革 膜而发出的乐器，如各种鼓类乐器； （2）“体鸣乐器”，就是通过敲打乐器本体而发声的，如钟、木鱼、各种锣、钹、铃 等
木管乐器越短，振动频率越快， 音高越高，声音越高越脆；
木管乐器越长，振动频率越低， 音高越低，声音就越低沉；
竖笛
3.4 乐器简介：铜管乐器的发声原理
铜管乐器（Brass Instrument）是一种将气流吹进吹嘴之后，造成嘴唇振动的乐 器。他们也被称为“ labrosones ”，字面上的意思是“嘴唇振动的乐器 ”(Baines)。要在按键乐器上改变音高，有两个方法能够办到：一、压下按键改 变管子的长度，二、演奏者所吹出的气流改变嘴唇的振动频率。 分类 • 高音乐器：小号（Trumpet）、短号（Cornet）、柔音号（Flugelhorn） • 中音乐器：法国号（Horn）、进行曲号（Mellophone） • 次中音乐器：上低音号（Euphonium）、下中音号（Baritone Horn） • 低音乐器：低音号（tuba）、苏沙号（Sousaphone）、按键长号（Trombone） • 室外乐队使用的萨克斯系列（Saxhorn）。
鼓皮紧绷↑，f ↑ ，音高↑ 击鼓力量↑ ，鼓皮的振幅↑ ，音响↑
鼓 钟 ↓
锣
钹
3.6 乐器简介：键盘乐器的发声原理
原理： • 演奏家使用琴键，通过乐器内的机械机构或电子组件来产生音响。这些乐器上每 个琴键都有固定的音高，因此皆可以用以演奏任何符合其音域范围内的乐曲。 分类：钢琴 Piano （击弦打击乐器），古钢琴 Clavichord（拨弦类），管风琴 （ 簧片乐器），手风琴 Piano Accordion （簧片乐器），电子琴 Electronic Keyboard （现代的电声科技）
钢琴
古钢琴
管风琴
手风琴 电子琴
4. 人体声乐
人体乐器 唱歌的过程就类似于一个乐器发声的物理过 程. 声带是起振器，周围上下的各种管腔是管体， 胸腔、咽腔、喉腔、鼻腔、头腔等都是共鸣 体.而这个乐器的能源即气息源则是通过呼吸 控制的横膈膜的上下运动. 声带振动 唱歌时声带中通过声门的气流，一吸一放， 产生振动. 人控制声带边缘的厚薄, 可以改变发音的高低； 音量的大小取决于声带振动的振幅. 女性的喉器管比男性的小，声带比男性的窄， 因此发声的音高比男性高. 歌唱的共振峰 频谱上的某些能量比较集中的频段形成一个峰，称为共振峰. 经过训练的歌唱家可以在一定频率区域如500—3500Hz内，形成比平常人多而 高的共振峰，其歌声就优美动听。
2.2 音乐构成的物理构成
物理要素 音乐要素 音乐 音高的距离→音程 音高的排列→调式 音高的叠合→和弦 响度与时值构成拍子或节奏
频率
振幅 时值
f=1/T
A t
音高
响度 时值
波形包络
音色
和弦的连接、配器、合唱、合奏等是这些要素在时间、空间中的运动； 旋律、调式、节奏、拍子、和弦、速度、音型、曲式的不同，构成了不同风格 的音乐； 这些要素的叠加，加上人的心理对音乐的感受，而已经升华到艺术和美的境界； 音乐的旋律美、节奏美、和声美、动态美、整体美等，形成了客观的和主观的 音乐世界.
2.3 音律学
通过一组规则映射出一个频率区间内(F, 2F)的其他频率
Contents
1 2 3 4 5
音乐是一种声波
从物理角度理解音乐
乐器简介
人体声乐 音乐的存储
3.1 乐器简介：乐器的分类
乐器本身是一种物理仪器 从物理上说，乐器是一种人们制造的或为人们所用的产生音乐声的仪器. 世界上第一个被人类制造出来的物理仪器就是在兽骨上开一个孔吹奏出声的笛子 ——吴南薰 乐器分类 我国 古代 以制 造乐 器分 类 乐器 发声 的物 理机 制分 类 材料 发声体 演奏方法和演奏机制 弦乐器 管乐器 打击乐器 电子乐器 “八音”即金、石、土、革、丝、木、 匏、竹； 体鸣乐器、气鸣乐器、 膜鸣乐器、弦鸣乐器等； 吹奏乐器、拉弦乐器、弹拨乐器、 打敲乐器、键盘乐器等 又分拉弦、拨弦、打弦乐器 又分无簧、有簧管乐器，簧振乐器
竖 琴
吉 他
筝
琵 琶
3.3 乐器简介：木管乐器的发声原理
原理：①演奏者藉由吹气使得乐器中包含一段空气柱，吹奏时空气柱振动发声。通 过堵住和放开特定的音孔改变管身的有效长度，改变空气柱的长度，从而改变音高 （频率）。长的空气柱产生低音，短的空气柱产生高音。 ②如果是其他木管乐器，他们都有簧片，进入“吹孔”的空气回使簧片震动 ，并引起簧片下面的管内的空气震动，声音就这样发出来了。 分类： 边棱类：长笛（Flute）、短笛（Piccolo）、竖笛（Recorder)； 簧鸣类：单簧管（Clarinet）、双簧管（Oboe）、英国管（EnglishHorn）、 大管（Bassoon）、低音大管（Contrabassoon)、萨克斯管（Saxophone）
5. 音乐的转换与存储
转换
声波
拾音器 （话筒、麦克风） 扬声器 （耳机）
电信号
声波
声源
作为音乐电声的音源，就有记录、贮存、重现音乐的问题。 ① ② ③ ④ ⑤ 磁带：记录和消音利用的是磁性材料的剩磁性能及磁滞回线的退磁原理； 塑胶唱片：利用机械记录和机械重放； CD唱片：机械记录和用半导体激光器重放； 高密度磁盘或计算机软盘：磁记录； 用收音机和电视机接收电台和电视台的广播：则利用了天线的调谐接收原理。
2.3 音律学
Octave 0-9 表示八度区。 C-D-E-F-G-A-B 为 C 大调七个主音： do re mi fa so la si（简谱记为 1 到 7） 升一个八度也就是把频率翻番。 A5 频率 880 Hz，正好是 A4 的两倍。 一个八度区有 12 个半音，就是把这两倍的频率间隔等比分为 12， 每相邻半音的频率比值为2^(1/12)≈1.059463
纯律：更和谐。 F、9/8F、5/4F、4/3F、3/2F、5/3F (5/4×4/3F=5/4×3/2F)、15/8F 十二平均律：是一种音乐定律方法， 将一个纯八度（如c1_c2）平均分成十二等份， 每等分称为半音，是最主要的调音法。 频率之比与 现在的钢琴就是根据十二平均律定音的。
和谐程度的关系
3.2 乐器简介：弦乐器的发声原理
弦乐器（strings）的发音方式是依靠机械力量使张紧的弦振动发音，故发音音量 受到一定限制。弦乐器通常用不同的弦演奏不同的音，有时则须运用手指按弦来 改变弦长，从而达到改变音高的目的。 分类： • 拨弦乐器：竖琴（Harp）、吉他（Guitar）、古琴、琵琶、筝。 • 拉弦乐器： 小提琴（Violin）、中提琴（Viola）、大提琴（Cello）、倍低音提琴 （Double Bass）、二胡。 弦绷紧↑，频率↑，音高↑； 弦短细↑，频率↑，音高↑ • 击弦乐器：扬琴。 拨弦力度↑，振幅↑，响度↑
音乐是一种机械振动随时间的传播即机械波 , 是一种纵波即压缩波 , 它具有机械纵波的一切属性
Contents
1 2 3 4 5
音乐是一种声波
从物理角度理解音乐
乐器简介
人体声乐 音乐的存储
2.1 音乐声
20 000 Hz 以上的谐波对音色是有明显影响的 音乐声包括三个部分: ① 传统的乐音 :即在物理上振动是周期性的 , 频谱是分列的 , 主观听感 上有一定音高的 ; ② “噪声”：在音乐中出现的 , 没有一定音高的 , 振动是非周期一的 , 频谱是连续的，如锣 、 鼓等打击乐器声或一些合成效果声等“ 噪 声”; ③ “超声” ：一部分对听感有影响的“ 超声 ”
Contents
1 2 3
音乐是一种声波
从物理角度理解音乐
乐器简介 人体声乐 音乐的转换与存储
4
5
1.1 音乐是一种声波
1.1 音乐是一种声波
波动是自然界常见的、最重要的物质运动形式
波动： 振动在空间的传播过程
经典波
机械波：机械振动在连续介质中的传播(需要介质) 电磁波：交变电磁场在空间的传播（无需介质）
2.3 音律学
八度音程：某一组声音，如果它们的频率是严格地按照2n的规律排列的话，它们听 起来才是一个“等差音高序列”。八度音程是关系是音乐中最基本的关系。一个音 的所有“八度音程”都是它的“谐波”。 在一个八度音程内（F~2F）找与主音的和谐程度最高的音：3/2F、4/3F 三分损益率：取一段弦，“三分损一”，即均分弦为三段，舍一留二，便得到3/2F。 如果“三分益一”，即弦均分三段后再加一段，便得到4/3F。 五度相生律：毕达哥拉斯学派认为弦长比分别为2：1、3：2、4：3时发出的音都是 极其完美的。五度相生律以一个音为基础（假定其弦长为1），连续向上向下两个方 向同时生律（向上即弦长缩短为前一个音的2/3，音提高纯五度；向下则是弦长增长 至前一个音的3/2，音则降低纯五度）。相邻两音频率比9:8
小号
短号
柔音号
法国号
来自百度文库
进行曲号 萨 克 斯
低音号
苏沙号
按键长号
3.5 乐器简介：打击乐器的发声原理
原理：打击乐器是一种以打、摇动、摩擦、刮等方式产生效果的乐器族群。打击乐 器可能是最古老的乐器。有些打击乐器不仅仅能产生节奏，还能作出旋律和合声的 效果。 分类：（1）“革鸣乐器”也叫“膜鸣乐器”，就是通过敲打蒙在乐器上的皮膜或革 膜而发出的乐器，如各种鼓类乐器； （2）“体鸣乐器”，就是通过敲打乐器本体而发声的，如钟、木鱼、各种锣、钹、铃 等
木管乐器越短，振动频率越快， 音高越高，声音越高越脆；
木管乐器越长，振动频率越低， 音高越低，声音就越低沉；
竖笛
3.4 乐器简介：铜管乐器的发声原理
铜管乐器（Brass Instrument）是一种将气流吹进吹嘴之后，造成嘴唇振动的乐 器。他们也被称为“ labrosones ”，字面上的意思是“嘴唇振动的乐器 ”(Baines)。要在按键乐器上改变音高，有两个方法能够办到：一、压下按键改 变管子的长度，二、演奏者所吹出的气流改变嘴唇的振动频率。 分类 • 高音乐器：小号（Trumpet）、短号（Cornet）、柔音号（Flugelhorn） • 中音乐器：法国号（Horn）、进行曲号（Mellophone） • 次中音乐器：上低音号（Euphonium）、下中音号（Baritone Horn） • 低音乐器：低音号（tuba）、苏沙号（Sousaphone）、按键长号（Trombone） • 室外乐队使用的萨克斯系列（Saxhorn）。
鼓皮紧绷↑，f ↑ ，音高↑ 击鼓力量↑ ，鼓皮的振幅↑ ，音响↑
鼓 钟 ↓
锣
钹
3.6 乐器简介：键盘乐器的发声原理
原理： • 演奏家使用琴键，通过乐器内的机械机构或电子组件来产生音响。这些乐器上每 个琴键都有固定的音高，因此皆可以用以演奏任何符合其音域范围内的乐曲。 分类：钢琴 Piano （击弦打击乐器），古钢琴 Clavichord（拨弦类），管风琴 （ 簧片乐器），手风琴 Piano Accordion （簧片乐器），电子琴 Electronic Keyboard （现代的电声科技）
钢琴
古钢琴
管风琴
手风琴 电子琴
4. 人体声乐
人体乐器 唱歌的过程就类似于一个乐器发声的物理过 程. 声带是起振器，周围上下的各种管腔是管体， 胸腔、咽腔、喉腔、鼻腔、头腔等都是共鸣 体.而这个乐器的能源即气息源则是通过呼吸 控制的横膈膜的上下运动. 声带振动 唱歌时声带中通过声门的气流，一吸一放， 产生振动. 人控制声带边缘的厚薄, 可以改变发音的高低； 音量的大小取决于声带振动的振幅. 女性的喉器管比男性的小，声带比男性的窄， 因此发声的音高比男性高. 歌唱的共振峰 频谱上的某些能量比较集中的频段形成一个峰，称为共振峰. 经过训练的歌唱家可以在一定频率区域如500—3500Hz内，形成比平常人多而 高的共振峰，其歌声就优美动听。
2.2 音乐构成的物理构成
物理要素 音乐要素 音乐 音高的距离→音程 音高的排列→调式 音高的叠合→和弦 响度与时值构成拍子或节奏
频率
振幅 时值
f=1/T
A t
音高
响度 时值
波形包络
音色
和弦的连接、配器、合唱、合奏等是这些要素在时间、空间中的运动； 旋律、调式、节奏、拍子、和弦、速度、音型、曲式的不同，构成了不同风格 的音乐； 这些要素的叠加，加上人的心理对音乐的感受，而已经升华到艺术和美的境界； 音乐的旋律美、节奏美、和声美、动态美、整体美等，形成了客观的和主观的 音乐世界.
2.3 音律学
通过一组规则映射出一个频率区间内(F, 2F)的其他频率
Contents
1 2 3 4 5
音乐是一种声波
从物理角度理解音乐
乐器简介
人体声乐 音乐的存储
3.1 乐器简介：乐器的分类
乐器本身是一种物理仪器 从物理上说，乐器是一种人们制造的或为人们所用的产生音乐声的仪器. 世界上第一个被人类制造出来的物理仪器就是在兽骨上开一个孔吹奏出声的笛子 ——吴南薰 乐器分类 我国 古代 以制 造乐 器分 类 乐器 发声 的物 理机 制分 类 材料 发声体 演奏方法和演奏机制 弦乐器 管乐器 打击乐器 电子乐器 “八音”即金、石、土、革、丝、木、 匏、竹； 体鸣乐器、气鸣乐器、 膜鸣乐器、弦鸣乐器等； 吹奏乐器、拉弦乐器、弹拨乐器、 打敲乐器、键盘乐器等 又分拉弦、拨弦、打弦乐器 又分无簧、有簧管乐器，簧振乐器
竖 琴
吉 他
筝
琵 琶
3.3 乐器简介：木管乐器的发声原理
原理：①演奏者藉由吹气使得乐器中包含一段空气柱，吹奏时空气柱振动发声。通 过堵住和放开特定的音孔改变管身的有效长度，改变空气柱的长度，从而改变音高 （频率）。长的空气柱产生低音，短的空气柱产生高音。 ②如果是其他木管乐器，他们都有簧片，进入“吹孔”的空气回使簧片震动 ，并引起簧片下面的管内的空气震动，声音就这样发出来了。 分类： 边棱类：长笛（Flute）、短笛（Piccolo）、竖笛（Recorder)； 簧鸣类：单簧管（Clarinet）、双簧管（Oboe）、英国管（EnglishHorn）、 大管（Bassoon）、低音大管（Contrabassoon)、萨克斯管（Saxophone）
5. 音乐的转换与存储
转换
声波
拾音器 （话筒、麦克风） 扬声器 （耳机）
电信号
声波
声源
作为音乐电声的音源，就有记录、贮存、重现音乐的问题。 ① ② ③ ④ ⑤ 磁带：记录和消音利用的是磁性材料的剩磁性能及磁滞回线的退磁原理； 塑胶唱片：利用机械记录和机械重放； CD唱片：机械记录和用半导体激光器重放； 高密度磁盘或计算机软盘：磁记录； 用收音机和电视机接收电台和电视台的广播：则利用了天线的调谐接收原理。
2.3 音律学
Octave 0-9 表示八度区。 C-D-E-F-G-A-B 为 C 大调七个主音： do re mi fa so la si（简谱记为 1 到 7） 升一个八度也就是把频率翻番。 A5 频率 880 Hz，正好是 A4 的两倍。 一个八度区有 12 个半音，就是把这两倍的频率间隔等比分为 12， 每相邻半音的频率比值为2^(1/12)≈1.059463
纯律：更和谐。 F、9/8F、5/4F、4/3F、3/2F、5/3F (5/4×4/3F=5/4×3/2F)、15/8F 十二平均律：是一种音乐定律方法， 将一个纯八度（如c1_c2）平均分成十二等份， 每等分称为半音，是最主要的调音法。 频率之比与 现在的钢琴就是根据十二平均律定音的。
和谐程度的关系
3.2 乐器简介：弦乐器的发声原理
弦乐器（strings）的发音方式是依靠机械力量使张紧的弦振动发音，故发音音量 受到一定限制。弦乐器通常用不同的弦演奏不同的音，有时则须运用手指按弦来 改变弦长，从而达到改变音高的目的。 分类： • 拨弦乐器：竖琴（Harp）、吉他（Guitar）、古琴、琵琶、筝。 • 拉弦乐器： 小提琴（Violin）、中提琴（Viola）、大提琴（Cello）、倍低音提琴 （Double Bass）、二胡。 弦绷紧↑，频率↑，音高↑； 弦短细↑，频率↑，音高↑ • 击弦乐器：扬琴。 拨弦力度↑，振幅↑，响度↑
音乐是一种机械振动随时间的传播即机械波 , 是一种纵波即压缩波 , 它具有机械纵波的一切属性
Contents
1 2 3 4 5
音乐是一种声波
从物理角度理解音乐
乐器简介
人体声乐 音乐的存储
2.1 音乐声
20 000 Hz 以上的谐波对音色是有明显影响的 音乐声包括三个部分: ① 传统的乐音 :即在物理上振动是周期性的 , 频谱是分列的 , 主观听感 上有一定音高的 ; ② “噪声”：在音乐中出现的 , 没有一定音高的 , 振动是非周期一的 , 频谱是连续的，如锣 、 鼓等打击乐器声或一些合成效果声等“ 噪 声”; ③ “超声” ：一部分对听感有影响的“ 超声 ”