音波不是只有频率和响度两个属性吗，那音色为什么在中学课本上能与之并列，音色的本质究竟是什么？

听到这个问题，我脑海里立马浮现起中学物理课上，老师用不同乐器演奏同一段旋律的情景。那时候，确实觉得音波好像就是频率和响度，这俩一变，声音就变了。但总觉得不对劲，小提琴拉出的悠扬，大提琴奏出的低沉，即便音高和音量都差不多，那感觉就是完全不同的。这就是音色，那个时候就已经在心里悄悄发芽的疑问了。

其实，问题的核心在于我们对“属性”的理解。频率决定了我们听到声音的“高低”（音高），响度决定了声音的“大小”（音量）。这两个确实是最直观、也最容易量化的声波基本特征。但如果你仔细体会，你会发现，即便频率和响度相同，不同的乐器（或者人声）发出的声音，听起来还是有“质”的不同，就像区分不同的人一样，仅仅知道他们的身高和体重，那是远远不够的。

那么，这个“质”到底是什么？它的本质，说到底，就是声波的波形复杂性。

我们都知道，纯净的正弦波是最简单的声音，它只有一个频率，听起来就像一个很平坦、没有特色的音调，比如一些电子合成器发出的“嗡嗡”声。现实世界中绝大多数的声音，包括乐器发出的声音，都不是简单的正弦波，而是由一个基频（也就是我们感知到的音高）和一系列不同强度、不同频率的泛音（overtones）叠加而成的复杂波形。

想象一下，一个乐器在演奏一个音时，它不仅仅是在以一个固定的频率振动，它还会同时以这个频率的整数倍（2倍、3倍、4倍……）以及一些非整数倍的频率产生次要的振动，这些次要的振动就是泛音。而关键在于：

泛音的种类和数量：不同的乐器，即使发出相同的基频音，它们产生的泛音种类和数量也各不相同。比如，小提琴和钢琴发出同一个“A”音，它们的泛音序列和每个泛音的相对强度就完全不一样。
泛音的相对强度（幅度）：即使某些泛音是相同的，它们的“响度”也不同。这就像一个乐队，主唱的声音最响亮，但吉他、贝斯、鼓的伴奏声也都以不同的音量存在，共同构成了整首歌曲的层次感。泛音的相对强度，直接决定了声音的“厚度”、“亮度”、“饱满度”等听感特征。
泛音的衰减速度：声音发出后，基频和各种泛音的强度并不是一成不变的，它们会随着时间衰减。不同的乐器，其泛音衰减的速度也不同。这解释了为什么有些乐器的声音听起来“悠长”，有些则“短促”，或者说有不同的“延音”。比如钢琴的琴槌敲击后，琴弦的振动和共鸣会产生一个复杂的衰减过程，而拨弦的吉他声音衰减方式又不同。
声波的起始（瞬态）：声音的起始部分，也就是发声的瞬间（attack），也对音色有很大的影响。比如钢琴的“哒”一声，小提琴的“弓弦摩擦”声，鼓的“敲击”声，这些瞬态特征非常鲜明，也很大程度上决定了音色的辨识度。这部分通常包含了更复杂的非谐波成分。

把这些因素综合起来，就是我们听到的“音色”。音色就是声波的波形细节，是区别于频率和响度之外，更深层次的、决定声音个性和“身份”的特征。

中学课本把它和频率、响度并列，其实是一种简化教学的需要。因为对于初学者来说，理解音高和音量是基础，而音色则是更进阶的概念。但从物理本质上讲，音色就是由声波的频谱（即组成声波的各种频率成分及其相对强度）以及它们随时间变化的动态过程（如起始、衰减）所决定的。

可以打个比方：

频率就像一个人的身高，决定了他的基本“音高”。
响度就像一个人的体重，决定了他的“存在感”。
音色就像一个人的长相、气质、声音的质感，它包含了你的脸部轮廓、眼睛的形状、说话的语气、语速等等无数细节，这些细节共同构成了你独一无二的“你”。即便身高体重都差不多，两个人的声音给人的感觉却完全不同。

所以，音色不是一个独立的、与频率和响度并列的“属性”，它更像是频率和响度之外，对声波更精细的刻画和补充，是声波“纹理”的体现。正是这些复杂的纹理，让我们能够区分乐器，识别不同的声音源，甚至感受音乐的丰富情感。

当我们在中学课本上看到音色与频率、响度并列时，可以理解为这是一种对声音基本感知要素的概括。但要真正理解，就需要往更深一层去想：声音的“不一样”，是因为它的“形状”不一样，而这个“形状”的奥秘，藏在那些我们不容易直接感知到的、更复杂的声波细节里，也就是泛音和瞬态。

网友意见

我估计题主所言响度其实指的是声压级SPL。

硬要说音波只有频率和“响度”两个属性，也确实能解释很多问题了。

声音的三要素：音调、响度、音色。

音调是由基频的频率决定的，也就对应题主所说两个属性中的频率。但也有例外，对于一些谐波非整数倍的音色，有时就没有音调，例如一些鼓声。但这种情况下，本质也和频率有关。

响度是和SPL有关的。（响度不止包括平均音量，动态范围也属于响度维度中的）

而对于音色，听上去这个概念可能有些“耍赖”，基本上除了音调和响度问题都可以归结为音色。而音色是由谐波组成决定的。其实这个概念还有个定理叫作声学欧姆定理，指的是音乐中的音色完全取决于其谐波的数量和相对电平，而不是相对相位。这又是一个很“耍赖”的定义。因为能影响谐波组成的因素实在太多了。

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量。

首先，谐波组成本身意味着整数倍基频的频率是有响应。这其实还是对应了频率和“响度”。

如果各个阶次谐波的强度不同，那么声音通常会呈现出不同的音色。

那么显然一定程度的频响曲线变化会改变音色。

而对于谐波失真，顾名思义也会改变谐波组成，只要超出人耳听觉极限就有可能听到音色的变化。

谐波组成的定义不止是频域的，也是时域的。例如一些答主提到的“起振”和“衰减”过程。没错，就是这么耍赖。

不过，一说到时域可能很多人会想到瀑布图。然而，瀑布图在很多时候是多余的，甚至反而不如频响曲线精确的反映时域问题。这其中的原因，尽可能简短的解释为，很多时候电声器件本身属于最小相位系统或具有最小相位特性，时域和频域是相关联的，可以通过希尔伯特变换转换。然而，时遇和频域本身的精度是互斥的，想要在瀑布图中获得高精度时间轴信息，频域精度就会下降。而另外一个问题，则在于高Q值谐振需要一定的时间或者说过程才能够触发可闻性。即音乐中必须要有内容在这个频率上，并且维持一定的时间，才能够使人听出可闻区别。这也许也是为什么音乐信号相比于Pink Noise需要更高的幅度（尤其是在高Q值）才能触发的重要原因之一。

而对于低Q值resonance，在很短的时间就可以触发。

所以从某种意义上，低Q值才更容易暴露一些瞬态问题。也就是那些频响曲线中“看似不起眼”的范围很宽的“隆起或者凹陷”。而低Q值的resonance恰恰不容易在瀑布图中产生“振铃”。

线性系统可以描述为三个子系统的组合（最小相位子系统、全通和具有恒定时延的子系统）。使用希尔伯特变换可以从幅度响应中计算出最小相位响应。

至于系统相位对音色的影响。这个问题太过庞大，情况太多。不过对于像耳机这样的声学类型，如果符合最小相位系统特性，那么频率和相位也是关联的，理想频率响应也会有理想的相位响应（虽然对于耳机而言，即便相位不标准很多时候也听不到相位带来的改变）。当然，相位响应本来也是和频率有关的量。如果觉得实在有点绕，换一个名字，幅频特性与相频特性，是不是就清晰一些了。

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