音乐技术和声音科学

曼迪:好了，现在我们要去剑桥郡的伊利，和安娜·莱西一起参加本周的厨房科学。她和温蒂、苏菲和汉娜在一起，她们正等着发现谐波和用粉红色的管子制作音乐。你好安娜!

安娜:大家好，欢迎来到伊利的国王学校，本周我们将在这里做更多的声音和音乐实验。所以今晚我们请来了我们的帮手，我们的科学大师温迪。你今天来这里做什么?

温迪:嗯，我们要做一个实验，用一个相当简单但看起来很奇怪的乐器。

安娜:是的，它看起来很奇怪，也很粉红色!我们还有学生助手。请介绍一下自己，姓名和年龄好吗?

苏菲-嗨，我是苏菲，我十三岁。

汉娜-嗨，我是汉娜，我十三岁。

安娜:苏菲，你最喜欢科学的什么?

苏菲:可能是实际的一面。

安娜:你呢，汉娜?你是一个崭露头角的科学爱因斯坦吗?

汉娜:我也喜欢做练习。

安娜:苏菲，首先你能准确描述一下温蒂手里拿的是什么吗?

索菲:它很长，而且是非常漂亮的亮粉色。它有一种可爱的凹凸不平的质地。

安娜:它看起来有点像皱巴巴的大象鼻子。那么，温迪，你想让这些女孩用这个奇怪的粉红色烟斗做什么?

温迪:嗯，如果你拿一根普通的烟斗在你的头上旋转，你不会期望发生什么事情。所以也许我们应该先让苏菲试一下。拿起这个有点不寻常的管子，把它转一圈，我们看看她从这个实验中得到了什么结果。

安娜:好吧，所以我们都要退后，以确保不会发生什么坏事。苏菲站在那里，拿着粉红色的烟斗，准备疯狂地在头上旋转。所以，索菲，加油!(噪音)。所以我们听到了某种怪异的声音。苏菲，你觉得是什么感觉。

苏菲-我意识到它一直在原来的音符上。它真的让我打了个寒颤。

安娜-我注意到当索菲在她的头上旋转它时，她也在以同样的速度旋转，我们在那里有一个音符。所以我们要让你们做的是尝试用不同的速度。温迪，你在这方面很在行。你想换个速度试试吗?

温迪:经过多年的练习，我们试一试吧。我们看看能不能得到苏菲刚才得到的音符然后再加快一点。

安娜-汉娜，最大的变化是什么?温迪做了什么不同的事?

汉娜——温迪一加速，它就越高，温迪一减速，它就越低。

安娜:温迪，这到底是为什么?

温迪:嗯，和软管相比，这种管子最主要的不同之处在于管子内部的波纹。所以这是一个非常颠簸的管道，这些颠簸不仅在管道内部，而且在管道内部。如果你摸一下里面，里面也是有波纹的。所以这个管子要发出声音需要做两件事。大多数人都知道，任何发出声音的东西都是因为有东西在振动。发生的是，当我绕着我的头旋转管子时，你会注意到的一件事是离我最远的那一端比我拿着的这一端旋转得快得多。

安娜:所以在管子的远端有较低的压力。

温迪-是的，因为它移动得很快。所以你得到的是一个压差空气在管道中流动。对于大多数乐器来说，你可以通过吹气来让空气通过管子，但如果你喜欢的话，这是一种不同的移动方式。最重要的是褶皱。当空气穿过管道时，它会沿着管道到达较宽的部分和较窄的部分。所以实际上，空气在晃动，非常湍流。正是这种抖动和湍流引发了振动并产生了声音。

安娜:所以当你像直升机一样旋转管子时，在你的手附近的一端和管子远端的一端之间会有一个压力差，这个压力差会像风洞一样把空气拉进来。但是空气并不是缓慢地通过，它实际上是在晃动，这就产生了噪音。那么为什么当你以不同的速度进行时，它会发生变化呢?

温迪:你可以在这段管子里设置一定数量的振动。所以你振动空气的速度会影响你能放进管子里的波的数量。如果在空气中发生这种情况，你听到的是这些特定的不同音符。你不可能得到音阶上的每一个音符;你只能得到特定的音符。

安娜:好，这和谐波有关系吗?

温迪:是的，基本上就是这样。我们正在听粉红色管乐器发出的谐波。很多乐器都有这个很多音乐家都知道这些音符是和声系列很多演奏乐器的人都有能力通过收紧或改变嘴唇振动的方式来改变他们听到的谐波。

安娜:所以音乐家每次拿起乐器时实际上都在进行正确的声音科学。要我说，这真是太棒了。但比这更神奇的是，温迪，你可以在这个神奇的管子上演奏曲子。

温迪:是的，经过七年的练习，这是一件非常值得骄傲的事情。我把这支管子里的五个音符放在一起，如果你把它们按一定的顺序放在一起，我希望我能做出一些听众可能认得的曲调。

安娜:为了让你听起来更愉快，来自《简科学》的温迪用粉色的笛子为我们演奏了一支曲子。(曲调)你能告诉我们这首曲子到底是什么吗?

温迪-是的，这是最后一篇你经常在阵亡将士纪念日听到的军号奏出的曲子。

安娜:那真是太好了。苏菲，你觉得怎么样?

苏菲:太好了。我不知道她是怎么做到的?

安娜:你认为这背后的科学原理是什么?

汉娜——我觉得她用一根管子就能唱出一首歌真是太有意思了。

安娜:是真的。你第一次听到这个词是在我们的《厨房科学》的《裸体科学家金宝搏app最新下载》节目中。好了，这就是本周的全部内容。非常感谢温蒂、苏菲和汉娜以及伊利的国王学校。下周我们将回到东部县的另一所学校，学习更多的厨房科学。再见。

曼迪:现在我们要开始每周的海洋之旅，听取切尔西·沃尔德和鲍勃·赫森的科学更新。本周，他们将研究所有激素之王——睾丸激素，包括它在阻止多发性硬化症进展方面的潜在作用，以及睾丸激素过多如何导致一些鸟类过早死亡。

切尔西-本周的裸科学家节目我们将讨论睾丸激素。金宝搏app最新下载尽管睾酮在两性中都存在，但它通常被称为男性荷尔蒙。这是因为男性有更多的雄性激素，它强烈地影响着男性的性别特征和交配习惯。现在，一项对鸟类的研究表明，额外的睾丸激素可以让雄性在交配游戏中以高昂的代价获得优势。

鲍勃:你愿意为了更好的性生活而早死吗?这就是额外的睾丸素对黑眼juncos的作用。北达科他州立大学的生物学家温迪·里德(Wendy Reed)和她的同事发现，当年轻的雄性juncos接受额外的睾丸激素治疗时，它们会吸引年龄更大、生育能力更强的雌性，发生更多的婚外性行为，并且比未接受治疗的雄性繁殖更多的后代。但里德说，吸引更多的配偶似乎也吸引了更多的捕食者。

温迪:它们的免疫功能也比对照组的雄性低。所以他们付出的代价实际上降低了存活率。

更重要的是，他们的后代比正常情况下更小，更弱，而且睾丸激素治疗的父亲往往会跳过抚养孩子的责任。里德说，像这样的因素可能会使junco种群的天然睾丸激素水平受到控制。

切尔西——睾丸激素水平不仅使男性胸部多毛，声音低沉，对运动有永不满足的胃口，还可能使他们免受多发性硬化症的困扰。男性比女性更少得这种自身免疫性疾病，当他们患上这种疾病时，通常是因为他们的睾丸激素水平随着年龄的增长而下降。因此，加州大学洛杉矶分校的一个研究小组让10名患有多发性硬化症的男性在一年的时间里每天在皮肤上涂抹睾酮凝胶。然后，研究小组测试了他们的大脑处理速度和记忆力。神经学家Nancy Sicotte表示，从各方面来看，结果都有所改善。

南希:一般来说，在多发性硬化症患者中我们会看到这些能力的下降，因为这是典型的情况。因此，这表明他们不仅不会变得更糟，而且实际上可能会有所改善。

切尔西-如果他们能在更大规模的研究中证实这种效果，这种治疗可能是第一个保护多发性硬化症患者免受脑损伤的方法。由于副作用，它不适合女性，但同一个研究小组发现，妊娠激素胆固醇对女性有效。

谢谢你，切尔西。好吧，你已经听说过网络赌博和网络性爱了，下周我们将讨论一个新项目，这个项目可以让任何能上网的人解剖鱼。

切尔西-在那之前，我是切尔西·沃尔德。

我是Bob Hirshon，来自美国科学协会。回到你的裸体科学家。

Kat -现在我们要和来自约克大学电子系的Jez Wells聊聊。杰斯和他的同事正在做一些非常有趣的工作，研究我们如何重新创造已经不存在的声音。给我们讲讲吧。

Jez:你可以用两种方式来思考声音。你可以想象声音到达耳朵的时候，也可以想象声音由乐器发出的时候。我们从两个方面看;我们研究声音的物理模型和光谱模型。光谱建模是关于声音和声音进入耳朵时的本质。物理建模是关于声音的本质，因为它是由乐器创造的。当我们尝试创建吉他弦的物理模型时我们感兴趣的是声波穿过弦，到达吉他的琴桥需要多长时间然后当它到达琴桥时，声波会发生什么变化。所以有些会被反射回弦上有些会传递到吉他的琴身上。所以当我们建立乐器的物理模型时，我们感兴趣的是弄清楚乐器的这些物理部件是如何组合在一起并相互作用来产生声音的。一旦我们创建了一个物理模型，我们要做的就是激发它。 That means usually plucking it if it's a stringed instrument or blowing it if it's a bottle or a flute. Then what we're interested in doing is hearing. We need to put a microphone somewhere round our physical model. When we've put that microphone near to it, we might put it near one part of it to get one type of sound or another part to get another part. This is what recording engineers do all the time when you're miking up a guitar or a harp or something like that, you're always interested in getting the best noise. What we can do is you can take a physical model, which is a one dimensional physical model when waves are moving up and down the string. We can look at that in two dimensions by creating a mesh, if you like.

这些都是电脑模型吗?

杰斯:是的，电脑模型。所以它们都是想象出来的。物理模型的另一个重要方面是与它们交互，因为把这些东西困在笔记本电脑里并不是很有趣。界面以及我们如何分析人类手势并将其转化为音乐手势是物理模型的另一个重要部分。但是，是的，模型本身实际上存在于建模者的想象中，存在于计算机的内存和处理器中。

凯特:你今天带来了一些你工作的例子。

杰斯:是的，这是我的同事达米安·墨菲博士所做的工作，他一直在研究三维物理模型。三维物理模型的伟大之处在于我们实际上可以开始想象空间而不是一维的东西，比如一根弦或者二维的东西，比如鼓的外皮。管理空间的好处在于，如果你是建筑师，你不必等到礼堂铺好最后一块地毯才知道它听起来好不好。以前我们需要建立一个小模型，现在我们可以把建筑设计输入电脑，电脑就会把它想象成空间里的空气。通常情况下，我们对冲动的声音感兴趣，比如拍手声，而且我们经常以枪声开始。我们感兴趣的是建筑的反应。当枪开火时，声波开始在空气颗粒中传播。这就是为什么在真空中我们不能有声音的原因之一。它必须有介质才能传播。然后它到达某些物体:人，墙，诸如此类的东西。 Some of it will be absorbed and some of it will be reflected back and that's dependent on the nature of the sound, the frequency of the sound and so on. What we've got in this three-dimensional modelling is that we can say that even though this building doesn't exist, what would it sound like? This is quite handy for buildings that have been destroyed by fire or by warfare and for buildings that haven't yet been made.

Kat -我们这里有一个例子，我猜是考文垂大教堂被炸毁前的声音。

杰斯:是的，那是老考文垂大教堂。有一座功能齐全的新考文垂大教堂，但旧的在第二次世界大战期间被毁了。所以你会听到的是冲动，实际上，那是一个唱诗班男孩。那是在消声室里录的，也就是一个完全没有回声的房间。我希望我们接下来听到的是在大空间里开枪的声音。现在我们要做的是通过一个叫做卷积的过程，把唱诗班的声音和考文垂大教堂的声音结合起来。如果在考文垂大教堂被毁之前，唱诗班的人能够在教堂里唱歌的话，他们的声音可能会是这样的。

凯特-好极了。不是唱诗班被枪击的声音，我担心那可能是。我们这里还有一些其他的声音。你正在研究如何将乐器的声音结合起来，制造出全新的声音。

Jez:是的，刚才讲了物理建模，我要讲一下频谱建模，我们对声音的组成感兴趣。休正在用管风琴演奏不同的谐波。当你把这些谐波组合在一起时，就会产生乐器的声音。我们之所以能分辨出小号和小提琴在相同的响度下以相同的时间演奏相同的音符是因为谐波之间的关系，谐波的响度是不同的。因此，通过光谱建模，我们可以把声音分解成这些基本成分。这有点像喝一杯咖啡，然后能算出里面有多少糖，有多少牛奶，还有咖啡豆是什么。然后你可以开始说，如果我加入10个糖会发生什么或者如果我把所有的牛奶都拿出来，加入奶油会发生什么?所以我感兴趣的一件事是创造声音的混合。我制作的一种东西叫做floboe。floboe是长笛和双簧管结合在一起产生的一种小乐器。 The idea is not to combine the two sounds so that it sounds like two instruments being played, but so they're somehow being fused together. In physical terms, what we're doing is taking the excitation part of the oboe, which is the reed that vibrates, and we are imposing it on the resonant structure of the flute. We've also got some of the breathiness of the flute thrown in for good measure as well.

凯特-好吧，让我们听听。我们有了笛子。现在我们有了双簧管。在我看来，这听起来就像一只鸭子死了。希望更漂亮的东西是floboe。你真的可以听到两种不同的特征。

Jez -这就是我的想法。许多人期望音乐技术是关于惊人的嗖嗖声和惊人的合成声。但实际上，音乐技术现在已经开始进入一个领域，在这个领域，那些特效仍然可以得到，但我们可以创造声音，这些声音在声学上更加可信，听起来就像真正的物理物体发出的声音。把它放在这样的消声室里有点不讨人喜欢，这对我们分析声音很好，但对一般录音来说就不太好了。然后你会想要一个漂亮的大礼堂，比如大教堂。

凯特，你给我们举的最后一个例子其实已经不存在了，那就是阉割的声音。你是怎么做的?

杰斯:这是为今年夏天在BBC 4台播出的一个节目准备的。这是一部关于18世纪的电视剧，他们想做一个关于阉割的节目。

凯特-简单告诉我们什么是阉割。

Jez - Castrati是指嗓音特别好的男孩，被选中进行阉割。它更像是一个剪，而不是一个hack，尽管我确信这并没有多少安慰。这一手术并不像一些人想象的那么残酷。然而，这样做的原因是为了保护他们的声带。这可以防止他们的声带在青春期变粗变长，但身体本身会继续发育，思维也会继续发育，所以所有这些年的训练都是有回报的。所以你最终得到的是一个男人有很大的声道和巨大的能量供应，一对大肺，控制着青春期前的声道。

我们来听听这个。首先是男高音的样本。

Jez -是的，这是一个男高音唱亨德尔咏叹调的样本，这是为阉割(声音)写的。

凯特-现在我们有高音了。

Jez，现在高音唱的是高一个八度的声音我们想要的是共振结构，我们刚刚听到的人的肺和声道，但是我们想要的是声带或者我们即将听到的人的兴奋(声音)。

Kat -现在我们一起来听他们(声音)。这是难以置信的。

杰斯-还在进行中。我们遇到的困难之一是，男孩的声音往往带有浓重的呼吸声，因为他们没有像成年歌手那样的控制力。所以我们得想办法消除那种气息。最终版本将在今年夏天播出。

我有一个瓶子，所以我可以为你演示一下。首先，我要吹一个音符。现在我们都知道，如果我们在瓶子里放一点水，我们预计音符会上升，因为瓶子里振动的空气更少了。如果振动较少，就会得到更高的音调。现在的问题是，如果我挤压瓶子，把它变小，钞票肯定也会上升。但实际情况是它下降了。如果我把挤压过的瓶子放进一盆水中，它会再次上升，这给了我们一个线索。当瓶子完全是圆的时候，我们就知道圆的东西是硬的、固体的。这就是为什么压力容器是圆的，为什么装压力的可乐瓶是圆的。这是最强的形状。 But when you squeeze it you make the sides flat and that makes them weak. So actually you can tell when you put your finger on the side of the bottle, you'll actually be able to feel the flat bits vibrating a lot. That means that the bottle has an effective size that is bigger than it really is because it's moving some of the space around it. So the note goes down.

乐器是奇怪的东西。这有点像汽车;你可能正在开车，当车速达到每小时57.5英里时，方向盘开始摇晃。这只是你车的一个特点。有些事你能解决，有些事你不能。你们中演奏大提琴或其他弦乐器的人可能知道狼音:有一种音符会做一些有趣的事情。这可能是声学模式之间的相互作用或者你演奏的音符都与空气有关，以及长笛的实际结构，比如它是由金属制成的。这很重要。你可以想象一下萨克斯管和单簧管:单簧管是木头做的，萨克斯管是金属做的。这就是乐器听起来不同的原因。 So there is an interaction between the sound, the air and the metal and maybe that's why you pay an extra £500 for an ultra good flute.

原因之一是并不是所有的乐器都是和谐的。如果你以爪哇佳美兰为例，他们使用了很多金属乐器。因为它们是金属棒，严格来说它们没有谐波。事实上，它们就是我们所说的偏导数。它们的振动频率不再是1次、2次、3次或4次以上，振动模态不再是整数倍，所以是1.54、1.76。因此，它们发出一种美妙而丰富的声音。但是当我们用其他乐器演奏时，这些乐器是谐波，谐波和分频并不重合这就会导致耳蜗和内耳内部产生一种非常混乱的振动模式。这就导致了这两种不同乐器之间的调音问题。