和弦物理
- 参考
- YouTube【分钟物理】和弦背后物理学 视频作者的网址 https://aatishb.com/dissonance/ 这个网址有下文三个音和弦不和谐程度图的3D建模。
纯正弦波的不和谐
- 一个声音,由基频(最低的正弦波)决定音高,由更高频的泛音列决定音色。
- 除了音色,泛音还能决定音阶与和弦。
- 一个声音可以通过傅里叶变换分成不同的正弦波(见3b1b的相关视频)。
- 两个正弦波频率相同时无不和谐,其中一个不变,一个不断升高过程中,不和谐先急剧上升再逐渐下降,但不会回到0。另一个不断降低同理。即会存在一个相近的不和谐区。
原因
- 拍频:两个频率几乎相同的正弦波在相长干涉与相消干涉之间交替,它们的振幅产生调制。频率越接近,它们回到相同相的时间越长,拍频持续越长。频率相差越大则相反,它们进出同相的速度越快,拍频越快。
▸解释
相长干涉≈ 波峰对齐、声音变强;相消干涉≈ 峰谷相对、声音变弱;振幅调制≈ 音量被调制成忽大忽小;同相≈ 两列波又对齐了。
- 人耳的不完美分辨率:由于耳蜗的结构与其中的液体和毛细胞的物理特性,单一频率的外部频率不仅会刺激对应该频率的听觉神经纤维,还会刺激稍高和稍低频率的纤维。如果两个频率太近,耳朵无法准确分辨之为两种不同的声音。我们听到的是单一,不和谐的音符;直到频率间隔足够远,让耳朵能把它们分辨为两个独立的声音。(戴耳机,左播放440Hz,右播放450Hz,可以分辨出两个相近的不同音高;但是摘下耳机,听起来像一个不和谐音。)
带有泛音的不和谐
- 当谈及两组声音的不和谐,不仅是两个基频正弦波之间的不和谐,还包括一个基频正弦波和另一个音的所有泛音列之间的不和谐,以及所有泛音列之间的不和谐。
这张图对比上一节仅正弦波图,凹凸很多。它是叠加了各种基频泛音组合的效果得到的,不和谐区域根据频率调整,高度根据泛音列响度调整。
- 比较低的是本身(1.0),八度(2.0),五度(1.5),等。
- 我们常用的和弦都是“最不 不和谐”音程。
- 这个图也可以解释为什么相距半音的两个音符,为什么在同一个八度里演奏比在隔一个八度里演奏更不和谐。更右边的(2.0)右侧一点点处,比(1.0)右侧等比例(半音)的地方,纵坐标更低。
此处联系小球滚落的重力势能、粒子之间的引力斥力等,都存在一个“最低点”,是它们“最不 不和谐”的位置(比如氢原子恰好在那里产生)。
相似的,含有泛音列的不和谐图的最低点,基频和所有泛音的综合不和谐在那里很低。
当音符彼此非常接近或非常接近第一个泛音时,会得到很不和谐的峰值。谷底对应两个泛音列排列的足够好的情况,使它们很少有对彼此不和谐。
但这与发声方式有关。只有振动的弦与封闭的管子的泛音是规整的整数倍。因为改变泛音,这个表就变了。比如使用Bell(钟),这个图会变化。因此一些钟、鼓类在西方音乐中不那么悦耳(它们的泛音与西方音乐常用的string/pipe的泛音不匹配,虽然事实上因为十二平均律的计算乐器调音也不是右图那么标准的)。
参考代码
下面这段与上面的2D的图同类:固定参考音 A4 = 440 Hz(带谐波列),横轴为另一音的基频 x,纵轴为 Plomp–Levelt 型感知不和谐度之和。代码在相邻频率差很小时会给出尖峰,在 x = 440 处两组音完全重合故为深谷(与仅两列纯正弦时的光滑曲线不同,这里要对所有谐波对求和)。
字母和图上的位置怎么对应(读图):
- 横轴:就是代码里的
x(以及画图用的数组xs)——对比音的基频,单位 Hz。你从曲线左端扫到右端,就是在让x从小到大变。 - 纵轴:
my_sound_ds(x)的返回值(数组ys)——在某一个横坐标x上,曲线往上有多高,就是总不和谐度有多大(越高越“糙”)。 f_ref:它告诉程序参考音钉在 440 Hz,所以整条曲线在 横轴 ≈ 440 处会出现最深的谷(两串谐波完全重合)。f1、f2:它们是每一对谐波分量(参考第 i 个谐波 vs 对比第 j 个谐波)的频率;25 对全部加起来,才得到某一个x处纵轴上的那一个点。l1、l2/amps:对应振幅(响度权重)。决定每一对能贡献多高(越弱的谐波,这一对能顶上去的上限越低,因为公式里有min(l1,l2))。s、p:它们把“这一对f1和f2差多少 Hz”变成无量纲的p,再代入双指数;p落在中间某段时这一对不和谐最大——许多对一起在 440Hz 两侧叠加,就出现尖峰。
1 | import numpy as np |
和弦中的不和谐
这是一个三个音和弦的三维立体图,同样用峰谷值表示不和谐与否。原理与2D图一样。
和弦乐理
音程关系
- 两个维度:度数(同度、二度…八度、九度…)看 谱面上的音名 距离(如C-G就是五度);音数(含半音个数)决定 大、小、纯、增、减。同一度数可以对应不同半音数(如大三度 4 半音、小三度 3 半音)。
- 纯音程(Perfect):自然出现在 一、四、五、八 度上,无“纯二/三/六/七度”的说法。纯一度、纯八度半音数为 0、12(八度内);纯四、纯五在十二平均律下分别为 5、7 半音(如C-F/C-G)。纯音程 只能 增、减,无“大、小”。其中 增四度 与 减五度 在十二平均律里常是 同一音高(6 个半音),但 度数不同(四度 vs 五度),在和声进行与解决方向里仍按不同音程处理。
- 三全音(Tritone):字面即 三个全音 叠起来的距离——一个 全音 为 2 个半音,故 3×2 = 6 半音;在一个八度里 12 半音取一半 也是 6 半音,所以三全音又常说成把八度 对分 的那一档。三全音 = 6 半音,与 增四度、减五度 的 音宽 相同(例:C–F♯ 记成增四,C–G♭ 记成减五;十二平均律下两音等音,四和五是根据音名字母间隔/五线谱上音符实际位置决定的)。古典和声里它 极不稳定,典型如 属七和弦 里 三音到七音 恰为三全音,倾向 解决 到主和弦;分析里说的 “三全音代理” 等,指的也是这个 6 半音 关系。
- 大、小音程(Major / Minor):用于 二、三、六、七 度。大 比 小 多半音(大六度 9 半音 vs 小六度 8 半音等)。大、小音程可再 增、减 半音:如 增三度(大三度+半音,与纯四度等音)、减三度(小三度−半音,与大二度等音);减七度、增二度 等在调式与转调分析里常出现。
- 增、减(Augmented / Diminished):在纯或大、小音程上 加/减 半音得到。倍增、倍减 较少见,多见于和声题或变和弦语境。记忆:增音程 往往更“宽”,减音程 更“窄”。
- 转位(Inversion):八度内音程转位规则:大↔小、增↔减、纯↔纯;度数相加为 9(如三度↔六度、二度↔七度、四度↔五度)。转位后 音数之和恒为 12(一个八度内),用于验算。
- 与和弦的关系:三和弦由 根—三、根—五 决定性质(大三+纯五=大三和弦;小三+纯五=小三和弦);七和弦还要看 根—七 是大七、小七还是减七。读谱与和声分析 时,先在脑中拆成 纵向音程,再叠成和弦类型。
▸转位例子
转位与“度数和为 9、半音和为 12”
- 大三度 C–E(4 半音)转位成 小六度 E–C(8 半音):3+6=9,4+8=12。
- 小二度 C–D♭(1 半音)转位成 大七度 D♭–C(11 半音):2+7=9,1+11=12。
- 纯四度 C–F(5 半音)转位成 纯五度 F–C(7 半音):4+5=9,5+7=12。
- 增四度 C–F♯(6 半音)转位成 减五度 F♯–C(6 半音):增↔减,4+5=9,6+6=12。
▸纵向音程 → 和弦类型(原位、根音在最低声部时)
- C 大三和弦 C–E–G:根—三 大三度,根—五 纯五度 → 大三和弦。
- A 小三和弦 A–C–E:根—三 小三度,根—五 纯五度 → 小三和弦。
- G 属七和弦 G–B–D–F:根—三 大三度,根—五 纯五度,根—七 小七度(G–F)→ 大小七(属七)结构。
构成
- 叠置原则:西方共性写作(Common-practice)里,和弦通常按 三度叠置 由低到高排成根音—三音—五音—(七音)—…;根音决定和弦名与级数,叠置层数决定是 三和弦 还是 七和弦 等。
- 和弦音:根、三、五、七… 属于该和弦结构本身;声部进行里出现的 经过、辅助、倚音、换音 等是旋律层对和弦的修饰,分析时要和和弦音分开。
- 原位与转位:以 根音 为最低音为 原位;三和弦中三音、五音在最低音分别为 第一、第二转位(数字低音常记 ⁶、⁶⁴);七和弦另有 第三转位(如 ⁴²)。转位改变低音线条与解决倾向,不改变 和弦的根音与功能归属(仍以根音定名)。
- 声部与排列:同一和弦可 密集排列 或 开放排列;四部和声写作里需注意 重复音规则(通常重复根或五,属和弦解决等情形另有惯例)。与前文物理学部分衔接:和弦“构成”回答的是 同时选了哪些音级;不和谐感则来自各音分音列之间的相互作用。
▸构成:例子
三度叠置:C 大三和弦 由低到高为 C–E–G(先大三度 C–E,再叠小三度 E–G,整体仍是根—三—五)。若在 C–E–G–B 上再加三度,得到 C 大七(根—三—五—七)。
和弦音 vs 装饰音:若当前和弦是 C 大三(C–E–G),旋律里短暂出现的 F 可能是 经过音 去往 E,分析时 和弦仍是 C,F 不记入和弦结构。
原位与转位(同一和弦、不同低音):C–E–G 原位;E–G–C(三音在最低)为 第一转位,常分析为 I⁶;G–C–E 为 第二转位,常记 I⁶⁴。根音仍是 C,和弦名仍是 C 大三。
密集 / 开放:四个声部弹同一 C 和弦,三音、五音与根音 挤在同一八度 内偏 密集;把五音或三音 翻到更高八度 则 更开放,和弦种类不变。
类型
以下类型均指 原位、从 根音 往上看 根—三—五—(七) 的 音程叠置;转位只改变低音,不改变类型命名。
三和弦
(Triads)
- 大三和弦(Major triad):根—三 大三度,根—五 纯五度(三音与五音之间为 小三度)。色彩偏 明朗、稳定;自然大调 I、IV、V 级上的三和弦均为大三(在调式内讨论时)。
- 小三和弦(Minor triad):根—三 小三度,根—五 纯五度(三—五为 大三度)。色彩偏 暗、柔;自然大调 ii、iii、vi 级为 小三和弦(级数随调而变)。
- 减三和弦(Diminished triad):根—三 小三度,根—五 减五度(三—五仍为 小三度)。极不稳定,常向相邻和弦解决;自然大调 vii°(导三和弦)即减三结构。
- 增三和弦(Augmented triad):根—三 大三度,根—五 增五度(三—五为 大三度)。对称、暧昧,古典中不如前三种常见,多见于 经过、半音和声 或浪漫派语汇。
七和弦
(Seventh chords)
在 三和弦 上再叠 七度音(根—七为 七度音程)。分类看 根—三、根—五、根—七 三个纵向音程(原位)。
- 大小七和弦(Major-minor 7th,常称 属七、Dominant 7th):根—三 大三度,根—五 纯五度,根—七 小七度(即 大三和弦 + 小七度)。紧张度强,典型 属功能(如调内 V⁷),强倾向解决到主。
- 大七和弦(Major 7th,MM7 / maj⁷):根—三 大三度,根—五 纯五度,根—七 大七度(大三 + 大七)。色彩 亮而厚,大调 Imaj⁷、IVmaj⁷ 等常见;与属七相比 根—七更宽(大七 vs 小七)。
- 小七和弦(Minor 7th,mm7):根—三 小三度,根—五 纯五度,根—七 小七度(小三 + 小七)。色彩 柔、略飘,如 ii⁷(下属区域)、vi⁷、iii⁷ 等(级数依调)。
- 半减七和弦(Half-diminished 7th,ø⁷ / m7♭5):根—三 小三度,根—五 减五度,根—七 小七度(减三和弦 + 小七度)。导音色彩强;大调 viiø⁷(导上的半减七)、小调 iiø⁷(二级上的半减七,如 iiø⁶⁵–V 进行)等均为常见身份。
- 减减七和弦(Diminished 7th,°⁷ / dim⁷):根—三 小三度,根—五 减五度,根—七 减七度(减三 + 减七;四音由 小三度 连续叠成,结构全对称)。极紧张,常作 经过、等音转调 枢纽;和声小调 #vii°⁷(导七)是典型环境之一。
小大七和弦(Minor-major 7th):根—三 小三度,根—五 纯五度,根—七 大七度(小三和弦 + 大七度)。爵士记 mMaj7,古典中相对少,可见于 旋律小调上行 等语境;需要时单独认结构即可。
和弦功能
【主(T)、下属(S)、属(D)】
除“和弦由哪些三度叠成”之外,共性期分析还要问:该和弦在 当前调 里 扮演什么角色(稳定还是紧张、倾向解决到哪)。德语系理论常简记为 T / S / D(英:Tonic / Subdominant / Dominant)。下面以 C 大调 为例(换调时 罗马数字级数不变、音名整体平移)。
主功能(T,Tonic)
- 核心是 I(主和弦)。音乐 开始、结束 最常落在 I 或 I⁶,听觉上是 “家”、调性锚点。
- iii、vi 常与主区 共享音级(如 C 大调 里 E–G–B、A–C–E 都含主和弦音),可作 主功能的替代或过渡,色彩更柔或更暗,但 终止感 一般不如 I 干脆。
- 一句话:相对最稳;全曲的 参照中心。
属功能(D,Dominant)
- 核心是 V;vii°(减三和弦在导音上)与 导七 等也归 属侧,因都强调 导音 B→C(向主音的 半音解决)与 属音 G→C 的倾向。
- V⁷、V⁶⁵ 等属七类 张力更强(三全音要“掰开”),最典型 的解决是落回 I(正格终止 V–I / V⁷–I)。
- 一句话:最指向主、最紧张 的一极;和声进行里 “收紧” 的那一步往往在这里。
下属功能(S,Subdominant)
- 核心是 IV;ii(或 ii⁶、ii⁷)也常在 下属区域,负责 主与属之间的“铺开”:音阶上在 主音之下 一侧(如 F、D 相对 C),色彩比 V 更宽、更柔,又比 I 更动。
- 常见走向:IV–V–I、ii–V–I、ii⁶–V⁷–I——先经 S 垫高张力,再由 D 一把收进主;也可 IV–I(变格终止)不经属 直接回主,色彩不同。
- 与属的区分:S 多是 铺垫、展开(“要离开家出去走走”);D 是 对准家门钥匙孔(“非解决不可”)。同一 小七和弦:ii⁷ 多在 S,V⁷ 在 D——结构可相似,功能标签不同。
典型骨架:T →(S)→ D → T。不必每句都凑齐三步,但 D → T(属→主)是最基本的 正格 咬合;S → D → T 是教科书式的 完全进行 之一。
扩展:九、十一、十三和弦及 变和弦(增六、那不勒斯等)在古典晚期与浪漫派大量出现;副属、借用、转调 会让和弦暂时脱离本调 T/S/D 标签,记谱与分析符号依教材与曲目另学。
▸功能:主 / 下属 / 属(以 C 大调为例)
主(T):I = C–E–G;vi = A–C–E;iii = E–G–B(后两者常作主区色彩变化,终止仍以 I 最稳)。
下属(S):IV = F–A–C;ii = D–F–A(或 ii⁶、ii⁷);常见片段 IV–V–I、ii–V–I。
属(D):V = G–B–D;V⁷ = G–B–D–F;vii° = B–D–F;典型解决 V(⁷) → I。
串起来:I–IV–V–I(C–F–G–C)= T–S–D–T;ii–V–I(D–F–A → G–B–D → C–E–G,中间也常接 V⁷)= S–D–T。
▸类型:例子(一类一行)
三和弦
- 大三:C–E–G(大三+纯五)。
- 小三:A–C–E(小三+纯五);C–E♭–G。
- 减三:B–D–F(小三+减五);C–E♭–G♭。
- 增三:C–E–G♯(大三+增五)。
七和弦
- 大小七(属七):G–B–D–F(大+纯五+小七);C–E–G–B♭。
- 大七:C–E–G–B(大+纯五+大七)。
- 小七:A–C–E–G(小+纯五+小七);C–E♭–G–B♭。
- 半减七:B–D–F–A(小+减五+小七);C–E♭–G♭–B♭。
- 减减七:B–D–F–A♭(小+减五+减七;平均律下 A♭ 与 G♯ 等音可互换记谱);C–E♭–G♭–A(根上减七度理论为 B 重降,十二平均律下与 A 等音)。
- 小大七(补充):A–C–E–G♯(小+纯五+大七);C–E♭–G–B。
类型 vs 功能:G–B–D–F 在 C 大调 为 V⁷;在 G 大调 中同一叠置写在 D–F♯–A–C 上仍为 V⁷——结构名相同,调内级数 随调而变。
标识
字母和弦(流行、爵士、歌曲谱常用)
写成 C、Cm、C°、C+、C7、Cm7、Cmaj7 等,表示 固定音高上的根音 + 和弦类型:C 即“以 C 为根”、m 为小三、7 为属七……不自带调号信息——同一串字母在不同调的歌里,含义都是“这些音名叠成的和弦”。换调 时,若和声进行不变,要 整套改字母(例如原调 C–F–G–C 移到 G 大调常写成 G–C–D–G)。罗马数字(古典和声分析、调性写作课的主标记)
写成 I、ii、iii、IV、V、vi、vii° 等,表示 当前调 里的 级数 + 和弦性质:大写 多为 大三和弦(或以大三和弦为骨架的七和弦),小写 多为 小三;° 为减三、⁷ 为七和弦等(细则随教本)。同一罗马数字 在 不同调 里对应 不同音名——例如 V 在 C 大调 是 G,在 G 大调 是 D,但 在各自调里都是“属和弦”那一级”。两套符号怎么对应(核心)
字母标记 罗马数字 回答的问题 根音 绝对 是哪个音名、叠置类型是什么 在 本调 里是 第几级、与 主音 的关系 是否依赖调 否(只依赖“根音 + 类型”) 是(必须先明确 是什么调) 典型用途 移调乐器、乐队谱、流行 lead sheet 和声分析、作曲课、总谱读法中的 功能与进行 同一条进行,两种写法:在 C 大调 里 C – F – G – C 与 I – IV – V – I 描述的是 同一串和弦;把调换到 G 大调,字母变成 G – C – D – G,罗马数字 仍是 I – IV – V – I(级数与功能不变,音名整体平移)。
转位标记:如 I⁶(一和弦第一转位)、V⁶⁵(属七及其转位的一种记法,以所用体系为准)、I⁶⁴ 等;不同教本对 六四和弦(经过、倚音、终止式)细分不一,作业以课程规定为准。
数字低音 / Figured bass:巴洛克—古典早期 通奏低音 乐谱上的 ⁶、⁶⁴、⁷、⁴³ 等,表示 相对最低音 应构成的音程;读巴赫、亨德尔钢琴声部或总谱时与 现代和弦缩写 是两套符号,需要单独习惯。
功能标记:字母 T、S、D 表示 主 / 下属 / 属 功能(见上文 “和弦功能” 一节)。书写时常标在 和弦进行 下方或行间,如 T | S | D | T,概括 I–IV–V–I 等。D–T 特指 属→主 的 正格 收束;S–D–T 指 含下属预备 再进属、回主。与罗马数字并用 时:罗马数字说 是哪一级,T/S/D 说 在调性张力里的角色。
▸标识:音名字母 ↔ 罗马数字(对应关系)
C 大调内(同一调里对照)
- I ↔ C(大三) IV ↔ F(大三) V ↔ G(大三) V⁷ ↔ G7
- ii ↔ Dm iii ↔ Em vi ↔ Am vii° ↔ B°(减三)
换调:罗马数字可不变,字母要整套换
- I – IV – V – I:在 C 大调 = C – F – G – C;在 G 大调 = G – C – D – G(级数相同,根音随调平移)。
- ii – V – I:在 C 大调 = Dm – G – C;在 G 大调 = Am – D – G。
字母-only 与罗马-only
- G7 → C:字母告诉你 属七 → 主 的音响;在 C 大调 里分析常写成 V⁷ → I,在 G 大调 里同一对音响是 D7 → G(仍是 V⁷ → I)。罗马数字抓“在调里的角色”,字母抓“具体音名”。
转位:I⁶ 在 C 大调里常指 C 大三第一转位(低音 E,亦有人记 C/E);I⁶⁴ 常指 第二转位(低音 G)。V⁶⁵ 等以 教本 为准。
数字低音:通奏低音 ⁶、⁶⁴、⁷ 与 字母/罗马 是第三套符号,读早期乐谱时再专门对。
功能标记:I – IV – V – I 可标 T – S – D – T;ii – V – I 可标 S – D – T。IV – I 为 S – T(变格)。


