声音初识 精选

声音初识 精选

已有 6525 次阅读 2011-11-30 20:04 |个人分类:知识|系统分类:科普集锦| 声学

声音初识


王新龙



之产生,振动体和弹性媒质缺一不可。前者谓之
声源,后者乃声得以传递之媒体。不妨认为弹性媒质是由极其稠密之质点构成的连续体。媒质
质点乃物理抽象,概指宏观极小但微观又含大量分子的媒质微元,犹水中悬浮之微粒。振动体驱动邻近媒质质点振动,振动的媒质质点籍弹性复带动其邻近的媒质质点振动,遂产生传之四方的振动扰动——声。此声之产生过程谓之
声辐射(sound radiation)。声在媒质中以波的形式存在,谓之
声波(sound waves, acoustic waves)也。凡声波所经之处,媒质因之发生压缩和膨胀的交替变化,遂使媒质密度ρ疏密交替变化
,并以密度波的形式向四周传递的。相应地,有压力P、温度T等其它物理量的变化:

,其中带有小标”0“的量均表示媒质无声扰动时对应物理量之值。压强的变化量
 p 称为声压(sound pressure)。

弹性(elasticity)乃媒质能传播声波之必要条件。衡量媒质弹性的是体弹性系数
κ,其倒数
β=
1/κ为媒质的压缩系数。真空无所谓弹性(
κ=0),当然不可能有声波;坚硬无比的刚体不可压缩(β=0),其质点难于振动,也不能有声的扰动。常见的气体(如空气)、液体(如水)和固体(如地面、木质板块、各类金属)均为良弹性媒体,
κ取有限值。流体质点的振动方向始终与声波传播的方向一致,此种波为
纵波(longitudinal waves);流体(气体、液体)中只存在纵波。固体物质质点的振动方向,除了存在与波传播方向一致的纵波之外,也可以存在振动方向与传播方向垂直的
横波(transverse waves)。声波的传播的快慢称为声速
c
0(sound speed),它取决于媒质的体弹性系数
κ和静态密度
ρ
0,并按公式
计算。不同媒质,其密度(
ρ
0)和弹性性质(
κ)差异甚大,故声速也相差甚大。例如,温度15℃的空气中声速
c
0约每秒340米,而水中
c
0可达每秒1500米,金属类的固体中更大。

在空间固定位置,媒质质点周而复始地振动,其单位时间内的振动次数称为
频率(frequency),单位赫兹(Hz)。盖因媒质质点振动与声源振动同步之故,这个频率就是声源振动的频率。人耳
可听声(audible sound)一般在20Hz到20000Hz的频率范围。诚然,不同年龄段或不同健康程度的人,听觉范围有所差异。对于听觉正常的成年人,其可听到的声音 频率常在30~16000Hz之间,而老年人一般在50~10000Hz之间。另一方面,在任一时刻,空间上就存在一系列峰谷周期交替的波状疏密起伏,其周期称为声波的
波长,它或者是邻近波峰之间的距离,或者是邻近波谷之间的距离。可见,频率衡量声波时间变化之快慢,波长衡量声波空间变化之快慢。频率
f、波长λ和声速c
0三者存在简单的关系:


声源的振幅越大,声音越响。度量声波幅度者,乃媒质压强变化量声压
p(sound pressure),以帕斯卡(Pa)为单位计量。人耳听觉的声压范围很大。人耳对声压具有对数响应的特性,故声压常以对数方式的
声压级(sound pressure level)表示,SPL=20lg(
p
e/
p
ref),其中
p
e是声压的有效值,
p
ref是参考声压值,取人耳刚能听到的1000Hz声压的有效值2×10
-5Pa。声压级的单位是分贝(dB)。故0dB基准是人耳刚能听到1000Hz声音的声压。声压增加1倍,声压级就增加6dB。另一个计量声音大小的量是声强
I(sound intensity),它反映了声波携带能量之大小。声强的对数表示称为声压级(sound intensity level, SIL):SIL=10lg(
I
e/
I
ref),单位也是分贝,其中
I
ref是1000Hz声音在
p
ref有效声压下对于的声强,一般取
I
ref=10
-12(瓦/平方米)。空气中,常温下声压级SPL几乎等于声强级SIL。

声波在传播过程中若遇到障碍物,就会改变其行进方向。只要障碍物的尺寸大于或接近声波的波长,就会产生
反射(reflection)。部分声波则能绕过障碍物的边缘传播,这就是声绕射或
衍射(diffraction)。声频率越高,声绕射越不易产生;频率越低,由于声绕射作用,障碍物的遮蔽作用越弱,其时障碍物对声波的影响,称为
散射(scattering)。散射使得小部分声能偏离原来传播方向,导致原方向上声能的损失。液体里的气泡对水中传播的声,往往起到了散射的作用。

振动物体产生的声波,通过空气作为媒质,传至人耳,遂使人听到各种声音,既可以是赏心悦耳的谐和之音,也可以是令人生厌的噪乱之声。通常所听到的,往往包含各种频率成份的复合音;复合音由分音构成,其中频率较低的分音称为
基音(fundamental tone),频率是基音整数倍的分音,称为
谐音(harmonic tones)。凡频率比基音高的所有分音统称
泛音(overtones); 泛音频率未必与基音的整数倍,故不一定是谐音。如果同时发出的两个单频音(谓之纯音),人耳听到的可能是悦耳的谐音(和声),也可能是刺耳的噪声。当两音 的振动频率之比为较小的整数比时,如1:2、1:4,会听到悦耳的谐音;当频率比为较大的整数比时,如8:9、8:15,听到的往往是刺耳的声音。这体现 了“简单即美”的道理。乐器在发出基音的同时,总伴随着一系列泛音。不同乐器的泛音构成并不相同,所发出的同一个音也不尽相同。正是这些泛音决定了一个乐 器所发音的
音色(timber)。实际上,任何一个声音都可以分解为若干频率成份之和,称为该声音的
频谱(spectrum)。

数 学上单音表示为正弦波(或余弦波)的时间函数,所以存在时间相位(phase),用度表示。与其它波一样,声波相位变化一周为360°。对于声而言,相位 只有相对意义,而不同声音之间的相位差才具有实际意义。即使两个频率相同的正弦波声音,其间也可以存在相位差。同相声波指相位差为零的两列声波,它们互相 增强;反之,反相声波相位差为180°,它们互相减弱,甚至抵消。

如果有两个不同声源发出同样的声音,在同一时间以同样强度到达时,声音 呈现的方向大致在两个声源之间;如其中一个声源延时5~35ms,则感觉声音似乎都来自未延时的声源;如延迟时间在35~50ms间,则延时的声源可被识 别出来,但其方向仍在未经延时的声源方向;只有延迟超过50ms时,第二声源才能象清晰的回声般听到。这种现象就是哈斯效应(Hass effect)。

人类对声源方向的判别,不仅取决于声波传播的物理过程,而且与人的听觉生理和心理因素有关。单耳虽能决定声音的响度、音调和音色等属性,但不能辩别声源的具体方位。只有双耳才具有对声音方向的定位能力,此即所谓
双耳效应(binaural effect)。双耳效应的依据是声源发出的声音,在到达两只耳朵时,由于距离不等,而存在时差和强度差。人双耳间距约为16~18cm,约是 800~1000Hz声音的半波长。所以,对频率在800~1000Hz以上的声音,由于头部的遮蔽作用,两耳听到的声音就有强度差异。正是这种强度差, 决定了声音在水平面内的定位。而对于频率在800~1000Hz 以下的声音,音声音之绕射,双耳的定位能力随着频率的降低而减弱。双耳效应只能解释前方水平方向上的声音定位,三维空间之定位,则主要依赖于
耳廓效应。人类听觉系统的频率响应为声源空间方位角的函数,即耳廓对来自不同方向的声波频谱进行不同的修正后,才由耳道传到鼓膜,大脑依据声音的频谱特性,就能辨别三维空间中的声源方向。所以,人类的耳廓对确定声音的空间方向起主要作用。

虽然声压与声强、频率与波长、频谱结构等物理量用于描述声音的性质。但在语言声学和音乐声学中,取而代之的是响度(loudness)、音高或音调(tones)和音色(timber)来描述,它们与声强级、频率、频谱对应,但有微妙的区别。

响度(Loudness)是人耳对声音强弱程度的主观感觉。响度主要取决于声强,但也与其频率和波形有关。人耳对中频的音量变化比低频和高频的更为敏感。 与声强级对应,响度也用响度级表示。 一般,把1000Hz声音的声强级作为响度级,计量单位不是分贝,而是方(Phon)。例如,1000Hz的声音的声强级是60dB,而另一个频率的声音 听起来与60dB的1000Hz声音一样响,则这个声音的响度级就是60方。在响度相等的条件下,不同频率的声音与1000Hz频率的声音所需要的声强级 是不同的,如此构成声强级与频率的关系曲线,称为等响曲线,如下图所示。可见,在围绕1000Hz的中频范围内,等响度曲线相对比较低,说明人耳对中频的 响应敏感。 在这个范围之外的低频和高频两边,等响度曲线翘起,说明人耳对低频和高频声音的敏感下降,以致当低于20Hz和高于2000Hz时,需要很大的声强才有可 能感觉声音的存在。人耳能听到声音的最微弱强度,称为听觉阈(图中虚线),产生疼痛感的最高声音强度,称为痛觉阈。听觉阈和痛觉阈所构成的两条等响度曲 线,是等响度曲线的上下限。

 

等响度曲线图,横坐标频率(Hz),纵坐标声强级(dB)。图中每条曲线对应一个数值标注的响度级

 

音调(tone)或音高是声音调子的高低,是人耳对声音频率的感受。所以,音调高低与频率高低密切相关。但是,声音强度及声音长短也会影响人耳对音调的感觉。声音频率每增加一倍,音调升高八度,也就是一个倍频程(oct)。

音色(timber)是人耳对某种声音独特性质的综合感受。音色与多种因素有关,但主要取决于声音的波形,而声音的波形则决定于存在的泛音多少及各自的相对 强度。语言和音乐都是由许多频率的声音所组合而成,都具有脉冲性质,是一系列连续的宽度和强度不等,而且频率差异的声脉冲的组合。所以语音具有瞬变特性, 其能量频谱是随时间变化。

转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自王新龙科学网博客。

链接地址:
https://blog.sciencenet.cn/blog-285476-513409.html

上一篇:
聲學:聲音之科學

下一篇:
声学分支:物理声学

收藏