← 探索新知
ASTERXOR / 探索新知

两个音之间藏着的慢脉冲

相近频率让混合波形忽强忽弱,却不必在频谱里增加一个低频纯音。

等幅叠加波形位于包络内,包络大小每0.25秒达到峰值。
等幅叠加波形位于包络内,包络大小每0.25秒达到峰值。
探索新知ASTERXOR / LEON LEUNG

两个稳定的音,怎么能合出谁都没单独演奏的节奏?

440 Hz和444 Hz正弦波各自每秒重复数百次。把它们相加,合成幅度却每秒起伏四次。慢脉冲来自两者不断变化的对齐关系。这就是拍频;在成分简单、幅度相等时,尤其容易看清。

两种快速振荡,可以托起一个缓慢包络。
THE IDEA

波不断相遇,又不断错开

某一刻,两条正弦波朝几乎相同的方向变化,数值相加后增强。稍后,其中一个领先,两者贡献便部分抵消。由于频率不同,相对相位持续移动,不会固定下来。

信号直接由正弦公式生成,每秒8,000个采样,持续两秒,没有麦克风录音。每个成分的幅度为一,所以合成幅度可以接近二。这是任意数值单位,不是校准声压,也不是建议播放音量。

相加之前,440 Hz与444 Hz成分的一小段波形。
FIG 01相加之前,440 Hz与444 Hz成分的一小段波形。
THE MODEL

一个恒等式拆开两种运动

把440和444 Hz等幅正弦相加,可以重写成442 Hz正弦乘以缓慢变化的余弦因子。带符号的因子是一个2 Hz余弦的两倍。对它取绝对值,就得到围住快速振荡的非负幅度包络。

为什么每秒是四拍,而不是两拍?因为带符号因子的正最大值和负最小值,都对应很大的绝对幅度。符号翻转改变快速振荡的相位,而在2 Hz因子的每个周期里,幅度大小会增强两次。

THE RESULT

先看包络,再看频谱

白色边界每四分之一秒达到一个最大值,对应两个源频率相差的4 Hz。在理想等幅情况下,相邻最大值之间会降到零。快速波形始终位于边界之内,因此较慢的模式很容易辨认。

但傅里叶频谱仍只有440和444 Hz峰,并没有独立的4 Hz正弦成分。变化的幅度包络,与额外加入一条低频谱线,是两种不同描述。慢节奏出现在和信号的幅度模式中,线性相加并未制造第三个纯音。 记录恰好包含一个音的880个周期和另一个音的888个周期,两者都落在傅里叶频点上。因此,这段矩形截取避免了端点相位不匹配时会出现的频谱泄漏。

等幅叠加波形位于包络内,包络大小每0.25秒达到峰值。
FIG 02等幅叠加波形位于包络内,包络大小每0.25秒达到峰值。
THE TRADE-OFF

相等才会完全安静

如果两成分幅度不同,较强的一条不能被较弱的一条完全抵消。幅度为A和B时,包络在两者差的绝对值与两者之和之间变化。在简单双音情况下,拍频速率仍由频率差决定。

真实乐器有谐波和变化的幅度,声学反射还会加入更多贡献,混合后可能同时出现多种模式。因此,图里的零幅度时刻只是特殊受控情形,不保证两个真实乐器会在房间里周期性地完全无声。

两秒FFT在两个输入频率处出现峰,而不是在4 Hz拍频处。
FIG 03两秒FFT在两个输入频率处出现峰,而不是在4 Hz拍频处。
IN PRACTICE

耳朵不是波形图

相近音调的幅度变化,可以被听成缓慢起伏。频率间隔增大时,感知结果会变化,还取决于频率、音量和听者。数值包络本身,不是粗糙感、响度或音乐协和性的完整模型。

本文有意提供静态图,而不是声称做过听觉实验,也不推断听力或声学安全。数学叠加可以解释调制从何而来,同时把感知问题留待进一步研究。音频可视化显得比实验更确定时,这条边界尤其重要。

LOOK AGAIN

小差别可以变得容易察觉

比较几乎匹配的周期信号时,拍频机制很有用。逐周期难以看清的小频率差,会表现为缓慢得多的变化。音乐家调整持续音时,可以把可听拍频作为线索之一,但真实调音还涉及音色和音乐语境。

更一般的启发来自叠加:信号相加,能让整体形状出现醒目模式,却不必在线性频谱中增加新成分。同时看波形和频率成分,有助于避免混淆这两种解释。

留一个想法带走

脉冲真实存在于混合幅度的变化里,尽管两个声源都没有演奏那个慢音。