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物理實驗

傅立葉合成與音色

把一根根正弦波疊起來:奇次諧波疊出方波、全諧波疊出鋸齒波,還能親耳聽出差別。同樣的音高、不同的諧波配方=不同的音色——小提琴與長笛的差異就在頻譜裡。
t = 0.00 s

實驗數據

尚無記錄。調整參數、完成一次量測後,按「記錄本次數據」把結果存進表格。

實驗參數

波形配方
基頻 f₀
諧波數 N(方波/鋸齒/三角)

即時資訊

基頻(音高)
Hz
使用中的諧波數
音高 vs 音色
音高由 f₀ 決定,音色由諧波比例決定
頻譜=音色的指紋

實驗任務

  1. 疊出方波:選方波、N 從 1 慢慢加到 16——看正弦波一根根疊上去, 波形越來越方。但角落永遠有過衝的小角(Gibbs 現象),加再多諧波都消不掉。
  2. 同音高、不同音色:f₀ 固定 220 Hz,輪流播放純音、方波、鋸齒波—— 音高一樣(都是 A3),聽起來卻完全不同。差別全在頻譜:哪些諧波、各多強。
  3. 奇偶的祕密:方波與三角波只有奇次諧波(1、3、5…),鋸齒波奇偶都有。 切到自訂模式,只開 1f 和 2f——加入偶次諧波後聲音變「圓潤」了嗎? 單簧管聽起來「空」,正是因為偶次諧波弱。
  4. 調出你的樂器:自訂模式自由調 8 個滑桿,試著調出接近小提琴 (諧波豐富、衰減慢)或長笛(幾乎只有基頻)的音色。頻譜就是音色的配方表。

模型與假設

模型:傅立葉級數 y(t)=Σ bₙ·sin(2πnf₀t)。 方波 bₙ=4/nπ(奇 n);鋸齒 bₙ=2/nπ·(−1)ⁿ⁺¹;三角 bₙ=8/n²π²(奇 n,正負交替)。 聲音以 Web Audio PeriodicWave 由相同係數合成,所見即所聽。
假設:穩態波形(未模擬樂器的起音與衰減包絡——真實音色辨識中 attack 也很重要); 音量已限制在安全範圍。