千年謎團: 合成器基礎(一)

聲音基礎知識

從技術上來說，聲音是物理能量 (physical energy)（如拍手）到空氣壓力擾動的轉換。空氣壓力中的這種改變通過空氣以一連串振動 (vibrations)，即聲波 (acoustic wave) 的形式傳播。聲音振動也可以通過其他介質傳播，如牆壁或地板。
如果振動以周期形式傳播，我們就說聲音具有波形 (waveform)。

上圖顯示了正弦波 (sine) 的示波圖（圖形顯示），這是一種最簡單的波形。所有聲音的波形，除了基本正弦波外，都由基頻和多種其他不同的頻率組成。

如果振動不以可辨別的形式傳播，則聲音就稱為噪音 (noise)。

波形的重復（示波器中的每個波峰和波谷）被稱為循環。每秒鐘發生的循環數決定波形的基本音高 (basic pitch)，通常稱為頻率 (frequency)。

音調、泛音、諧波和分音

聲音的頻率被稱為基礎音調。（簡稱基音或基頻，fundamental tone / frequency）。
基頻整數倍的非基礎頻率被稱為泛音 (overtones) 與諧波 (harmonics)。不是整數倍的非基礎音調被稱為分音 (partials)。而若為基頻的幾分之幾，則稱為次泛音 (subharmonic)。

當發聲體由於震動而發出聲音時，聲音一般可以分解為許多單純的正弦波，也就是說所有的自然聲音基本都是由許多頻率不同的正弦波組成的，其中頻率最低的正弦波即為基頻，而其他頻率較高的正弦波則為泛音。音樂演奏或歌唱中，基頻是區別音高的主要元素，決定旋律 (melody)。而泛音則決定樂器或人聲的音色 (timbre)。

基礎音調 (fundamental tone) 被稱為第一諧波 (1st harmonic)，通常比其他泛音聲音更大。
以兩倍於第一泛音頻率彈奏的音調稱為第一泛音 (1st overtone) 或第二諧波 (2nd harmonic)。
以三倍於第一泛音頻率彈奏的音調稱為第二泛音 (2nd overtone) 或第三諧波 (3rd harmonic)，
以此類推，如下簡化圖表。

Frequency	Name 1	Name 2	Wave Representation
1 · f = 440 Hz	fundamental tone	1st harmonic
2 · f = 880 Hz	1st overtone	2nd harmonic
3 · f = 1320 Hz	2nd overtone	3rd harmonic
4 · f = 1760 Hz	3rd overtone	4th harmonic

這些泛音中的每一個都擁有不同於基礎音調的音色質量。大體來說，整數倍或能被整數（如八度音程、奇數或偶數泛音）除盡的泛音聽起來都更具「音樂感」。相反的，不是整數倍或不能被整數除盡的音調稱為不和諧諧波或分音音調。當將大量這類不和諧波音組合在一起時，聽起來就會顯得「嘈雜」。

傅立葉轉換和泛音

「任何周期性波 (periodic wave) 都可以看作某個波長 (wavelength)和振幅 (amplitude) 的正弦波的疊加，這些正弦波的波長有著調和的關係（小數字的比率）」。這稱為「傅立葉轉換」(Fourier transform)。大體上用更接近音樂術語的話來說，這意味著任何帶某個音高的音調都可以被當作一個正弦音調的混音。這包含了基本的基礎音調及其泛音（諧波）。例如：在頻率為 440 Hz 時，基本振蕩（基礎音調或第一諧波）為“A”。第二個泛音的頻率加倍 (880 Hz)，第三個則以 3 倍 (1320 Hz) 速度振蕩，接下來的泛音以 4 倍速度類推，見前張附圖。

頻譜

將基礎音調與不同電平 (signal strength) 的多種泛音結合起來時，聽起來就會像聲音。這些聲音元素之間的電平關係會隨時間改變。大量泛音的合並被稱為泛音頻譜，或者更常見的說法是頻譜 (frequency spectrum)。
頻譜顯示聲音中的所有單個聲音元素。從左到右，由低到高顯示。所有泛音的相應電平以垂直方式表示，尖峰脈衝越高表示電平越高。

插圖顯示在特定的時間點，基礎音調和泛音之間的電平和頻率關係。這些關係會隨時間不斷變化，造成頻譜的不斷變化，從而引起聲音的變化。

其他波形屬性

正如先前所探討過的，聲波具有頻率。聲波的其他屬性包括振幅、波長、周期和相位。

振幅 (amplitude)：波形的振幅表示空氣壓力改變的量。可以視為從零空氣壓力或「靜止」（在插圖中的 0 dB 處顯示為水平線）開始的最大垂直距離。換一種說法，振幅是水平軸和波形峰值頂部（或波形波谷底部）的距離。

波長 (wavelength)：波長是給定頻率波形的重復循環間的距離。頻率越高，波長越短。

周期 (period)：一個波完成一次整個波形循環旋轉所花費的時間。頻率越高越快，波的周期就越短。

相位 (phase)：相位與波形之間的時間形成對比，以 0 到 360 度計算。

當兩個波形在同一時間開始，就稱它們相位符合 (in phase) 或相位對齊 (phase alignment)。如果一個波形稍微遲於另一個波形，則稱它們偏離相位 (out of phase)。