聲音是人類感知世界的重要途徑之一。在自然界中，聲波本質上是介質中傳播的機械振動，而人類對聲音的主觀感受主要通過三種屬性來認知和描述，即音調（音高）、響度（強弱）、音色（音質）。這三者被稱為聲音的三要素，它們共同構成了聲音的整體特征。
音調（音高，Pitch）
定義與感知
音調是人耳對聲音頻率高低的主觀感受。當聲波頻率較高時，人們會感覺聲音“尖銳”“高亢”；頻率較低時，聲音“低沉”“渾厚”。正常人耳可感知的頻率范圍為 20 Hz 至 20,000 Hz（20 kHz），這一區間稱為可聽聲頻帶。
- 男性說話聲頻率范圍多為 85–180 Hz，女性多為 165–255 Hz。
- 樂器中，小提琴可達幾千 Hz，低音提琴則在幾百 Hz 以下。
物理基礎
音調直接對應聲波的頻率（f），單位為赫茲（Hz）。振動越快，單位時間內完成周期越多，頻率越高，音調越高。聲波頻率由聲源振動的固有頻率決定。例如：
- 吉他弦越細、張力越大、長度越短，音高越高；
- 氣柱類樂器如笛子，通過開閉孔改變有效振動長度改變音調；
人耳感知的復雜性
雖然頻率決定音調，但人耳感知并不線性。例如，在 1000 Hz 以下，人耳對頻率變化較不敏感，而在 1000–4000 Hz 的中頻段最敏感。這種特性決定了為什么人聲和大多數樂器集中于這個頻段，便于傳播和識別。
此外，基頻與諧波（泛音）的結構也會影響音高感受。某些復合波，即使缺失基頻，人腦仍能推測出音高，這一現象稱為錯覺音高或“虛基音”。
響度（Loudness）
定義與感知
響度是人耳對聲音強弱程度的感知，是對聲壓大小的主觀描述。響度不僅取決于聲波的振幅（物理量），還受聽覺敏感度、頻率分布與持續時間影響。
例如：
- 相同聲壓的低頻聲聽起來往往比中高頻“更輕”，這源于耳朵對不同頻率響度的敏感程度不同；
- 一段 1000 Hz 的聲音聲壓級為 60 dB SPL，在響度主觀感受上等于 60 方（phon）；
- 響度在單位上常用phon（響度級）與sone（響度值）表示。
物理基礎
響度主要由聲波的振幅和聲壓級決定。振幅越大，壓縮與膨脹越劇烈，空氣分子運動范圍越大，聲壓越高。
- 聲壓級 SPL = 20log??(p/p?)，p 為聲壓，p? 通常為 20μPa（人耳最小可感知聲壓）
- 日常例子：
- 輕聲細語：約 30–40 dB
- 正常對話：約 60 dB
- 汽車喇叭：約 90 dB
- 飛機起飛：超過 120 dB（接近痛閾）
響度曲線與人耳特性
響度感知受頻率影響，這體現在著名的弗萊徹-曼森等響曲線（Fletcher-Munson curve）。它表明：
- 人耳對中頻（1000–5000 Hz）最敏感；
- 在極低頻和極高頻，人耳需要更大的聲壓才能聽得清楚。
因此，廣播或音頻工程中需進行“響度均衡”，確保在不同設備和環境下都能被良好感知。
音色（Timbre）
定義與感知
音色是聲音的“品質”或“個性”，是人耳分辨不同聲音來源的關鍵。例如，同一音高與響度的鋼琴聲與小提琴聲依然可以輕松區分，正是因為它們的音色不同。
物理基礎
音色取決于聲音的頻譜結構——即基頻之上疊加了哪些諧波（泛音），以及它們的頻率、強度分布和包絡特性。
- 基頻決定音高；
- 諧波數量與分布決定音色的“亮”或“暗”；
- 包絡曲線（ADSR）：聲音的起音、延音、衰減、釋放階段的幅度變化，也塑造音色特征。
例如：
- 管風琴音色圓潤、泛音少；
- 小提琴音色明亮、富有高次泛音；
- 鍵盤打擊樂如鋼片琴，諧波結構不規則，音色獨特。
音色分析工具
現代音頻技術廣泛使用傅里葉變換與頻譜分析來識別音色特征。數字音頻合成常通過采樣、加法合成、頻譜建模來模擬自然音色。
總結
| 要素 | 主要對應物理量 | 感知作用 | 影響因素 |
|---|---|---|---|
| 音調 | 頻率 | 判斷高低 | 基頻、諧波結構 |
| 響度 | 振幅、聲壓級 | 判斷強弱 | 能量、頻率響應、人耳敏感度 |
| 音色 | 頻譜分布 | 判斷“是誰”發聲 | 諧波結構、波形包絡、聲源材料 |
