黃雯靜 程敏熙

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

1 引言

在日常生活中，幾乎到處都可以聽到各種聲音，我們發(fā)現(xiàn)往不同材質的杯子倒水、從不同高度倒水、往不同形狀的杯子倒水，相等時間倒不等量的水發(fā)出的聲音差別很大.可見，杯子的材料和形狀、倒水的高度以及單位時間的水流量都會影響倒水過程的聲音特性.針對以上現(xiàn)象，本文采用Adobe Audition軟件探究上述因素對倒水時聲音特性的影響，進行多次實驗，得出定性結論[1～3].

2 軟件介紹

Adobe Audition軟件簡稱Au，是由Adobe公司開發(fā)的一個專門的音頻編輯和混合環(huán)境，其采樣率為48 000Hz，位深度為32位(浮點)，能提供先進的音頻剪輯、混合、控制和效果處理功能.利用該軟件對聲音進行分析，能夠同時得到頻譜頻率顯示圖和頻譜音調顯示圖，所得到的聲音特征圖譜，水平方向為時間軸，豎直方向為頻率，顯示區(qū)域顏色表示振動的幅度，越深代表響度越大[4].

3 實驗設計

3.1 探究水杯材料對倒水聲音特性的影響

采用底面積和高度都相同的瓷質杯、塑料杯、保溫杯和玻璃杯進行實驗，控制單位時間水流量相同，從距離杯口10 cm處向杯中倒水，得到頻譜頻率顯示圖和頻譜音調顯示圖，結果如圖1～8所示[5].

3.1.1 不同材料水杯倒水的頻譜頻率顯示圖

圖1 瓷質杯的頻譜頻率顯示圖

圖2 塑料杯的頻譜頻率顯示圖

圖3 保溫杯的頻譜頻率顯示圖

圖4 玻璃杯的頻譜頻率顯示圖

圖5 瓷質杯的頻譜音調顯示圖

圖6 塑料杯的頻譜音調顯示圖

圖7 保溫杯的頻譜音調顯示圖

圖8 玻璃杯的頻譜音調顯示圖

圖1～4為4種不同材料的杯子倒水聲音的頻譜頻率.

通過分析可知，隨著倒水量的增多，4個杯子的主體頻率都在增大，即空氣柱越短，聲音頻率越高.開始往瓷質杯倒水時，聲音比較雜亂，經過一段時間才表現(xiàn)出主體頻率，而其他杯子從開始倒水就表現(xiàn)出主體頻率，且響度很大.保溫杯表現(xiàn)出兩種主體頻率，但第二種頻率逐漸減弱.整個倒水過程中，塑料杯的聲音最為嘈雜且響度大，保溫杯的響度次之，玻璃杯的響度較小且雜音較少，瓷質杯的響度最小.

3.1.2 不同材料水杯倒水的頻譜音調顯示圖

通過分析可知，瓷質杯的音高范圍為1 kHz～1.9 kHz，集中在1.6 kHz～1.9 kHz；塑料杯的音高范圍為700 Hz～1.8 kHz，集中在1.2 kHz～1.8 kHz；保溫杯的音高范圍為700 Hz～1.8 kHz，分布比較零散；玻璃杯的音高范圍為900 Hz～1.5 kHz，分布比較零散.

3.2 探究倒水高度對倒水聲音特性的影響

控制單位時間水流量相同，從距離杯口5 cm,10 cm,15 cm,20 cm處向同一個玻璃杯倒水，得到頻譜頻率顯示圖和頻譜音調顯示圖，實驗結果如圖9～16所示.

圖9 距杯口5 cm的頻譜頻率顯示圖

圖10 距杯口10 cm的頻譜頻率顯示圖

圖11 距杯口15 cm的頻譜頻率顯示圖

圖12 距杯口20 cm的頻譜頻率顯示圖

圖13 距杯口5 cm的頻譜音調顯示圖

圖14 距杯口10cm的頻譜音調顯示圖

圖15 距杯口15 cm的頻譜音調顯示圖

圖16 距杯口20 cm的頻譜音調顯示圖

3.2.1 不同高度倒水的頻譜頻率顯示圖

通過分析可知，對同一個玻璃杯，從不同的高度倒水，主體頻率變化不大.離杯口5 cm處倒水，主體頻率的響度最小，雜音最少；離杯口10 cm處倒水時，主體頻率的響度比離杯口5 cm時更大，且雜音更多；離杯口15 cm處倒水時，主體頻率的響度比離杯口10 cm時更大，雜音更多；離杯口20 cm處倒水時，聲音整體響度明顯增大，且主體頻率的響度也增大，聲音也最為嘈雜.

3.2.2 不同高度倒水的頻譜音調顯示圖

通過分析可知，距杯口5 cm倒水的音高范圍為200 Hz～1.8 kHz，集中在900 Hz～1.8 kHz；距杯口10 cm倒水的音高范圍為900 Hz～1.5 kHz，分布比較零散；距杯口15 cm倒水的音高范圍為400 Hz～1.4 kHz，集中在800 Hz～1.2 kHz；距杯口20 cm倒水的音高范圍為400 Hz～1.8 kHz，集中在1.4 kHz～1.8 kHz.

3.3 探究杯子形狀對倒水聲音特性的影響

在距離杯口10 cm處，控制單位時間水流量相同，向高度相同的圓柱玻璃杯、四角玻璃杯、八角玻璃杯、九角玻璃杯倒水，得到頻譜頻率顯示圖和頻譜音調顯示圖，結果如圖17～24所示[6].

圖17 圓柱玻璃杯的頻譜頻率顯示圖

圖18 四角玻璃杯的頻譜頻率顯示圖

圖19 八角玻璃杯的頻譜頻率顯示圖

圖20 九角玻璃杯的頻譜頻率顯示圖

圖21 圓柱玻璃杯的頻譜音調顯示圖

圖22 四角玻璃杯的頻譜音調顯示圖

圖23 八角玻璃杯的頻譜音調顯示圖

圖24 九角玻璃杯的頻譜音調顯示圖

3.3.1 不同水杯形狀倒水的頻譜頻率顯示圖

通過分析可知，圓柱形玻璃杯和四角玻璃杯的主體頻率明顯，而八角玻璃杯和九角玻璃杯的主體頻率在前期比較明顯，隨著倒水量的增加，主體頻率逐漸模糊.此外，圓柱形玻璃杯和四角玻璃杯的聲音響度更大，也更雜亂，而八角玻璃杯和九角玻璃杯除主體頻率較突出外，雜音更少，響度小[7～13].

3.3.2 不同水杯形狀倒水的頻譜音調顯示圖

通過分析可知，圓柱玻璃杯的音高范圍為900 Hz～1.5 kHz，分布比較零散；四角玻璃杯的音高范圍為700 Hz～2.2 kHz，分布比較零散；八角玻璃杯的音高范圍為1 kHz～2 kHz，分布比較零散；九角玻璃杯的音高范圍為1 kHz～2.2 kHz，集中在1 kHz～1.6 kHz.

3.4 探究單位時間水流量對倒水聲音特性的影響

3.4.1 不同水流量倒水的頻譜頻率顯示圖

通過調節(jié)水龍頭的開關，得到不同流量的水流，從距離杯口10 cm處流向玻璃杯，錄下小水流、中水流、大水流以及滿水時的聲音，得到頻譜頻率顯示圖和頻譜音調顯示圖，實驗結果如圖25～32所示.

圖25 小水流的頻譜頻率顯示圖

圖26 中水流的頻譜頻率顯示圖

圖27 大水流的頻譜頻率顯示圖

圖28 滿水時的頻譜頻率顯示圖

圖29 小水流的頻譜音調顯示圖

圖30 中水流的頻譜音調顯示圖

圖31 大水流的頻譜音調顯示圖

圖32 滿水時的頻譜音調顯示圖

通過分析可知，水流量較小時，聲音的響度較小，但主體頻率比較清晰；當水流量較大時，聲音的響度增大，且更為嘈雜，主體頻率較為模糊；當水流量更大時，聲音響度明顯增大，表現(xiàn)出多種主體頻率，且大水流的主體頻率比小水流的主體頻率更高；當滿水時，聲音的整體頻率最高，而頻率較低的聲音響度很小，而且有一部分頻率極低的聲音被屏蔽起來了[14].

3.4.2 不同水流量倒水的頻譜音調顯示圖

通過分析可知，小水流的音高范圍為700 Hz～2.2 kHz，分布比較零散；中水流的音高范圍為1.1 kHz～2.2 kHz，集中在1.6 kHz～2.2 kHz；大水流的音高范圍為2 kHz～2.3 kHz，分布相當集中；滿水時的音高范圍為1.6 kHz～2.5 kHz，集中在2 kHz～2.3 kHz.

4 實驗結論

綜上所述，本文采用控制變量的方法，利用Adobe Audition軟件探究水杯材料、倒水高度、水杯形狀以及單位時間水流量對水杯倒水過程的聲音特性的影響，實驗結果表明以上因素對倒水聲音特性有顯著影響，詳細結果如表1所示.

表1 用Adobe Audition軟件探究影響倒水時聲音特性的因素

續(xù)表1