声音的基本性质

一、声音是如何形成的
  语言、歌唱、音乐和音响效果以及自然界的各种声音,都是由物体振动产生的。例如我们讲话时,如果将手放在喉部,就会感到咽喉部在振动。人的发声器官(声带),乐器的弦、击打面、薄膜等,当它们振动时,都会使周围的空气质点随着振动而造成疏密变化,形成疏密波,即声波。
物体振动产生的声音,必须由空缺或其他媒质的传播,才能使我们听到。没有空气或其他媒质,我们就听不到声音。月球上没有空缺,所以月球是"无声的世界"。
  那末,空气又是怎样传播声音的呢?我们还以敲鼓为例来说明。我们敲鼓的时候,鼓膜产生振动,使鼓膜平面发生凸凹变化。当鼓膜凸起进,如图所示,鼓膜上面A处的空气受到鼓膜的压挤而密度变大,形成密部。这部分密度大的空气就会压挤邻近B处的空气,使B处的空气有变成密部的趋势。但鼓膜很快又凹下去,如图所示,它的表面形成一个空隙,A处空气密度变小,形成疏部。这时,B处的空气正在受到压挤变成密部,并且有使C处空气变成密部的趋势。当鼓膜再一次凸起时,如图所示,

   


  A处空气又受到鼓膜压挤重新变成密部,B处空气在压挤C处空气的过程中,自己密度变小成为疏部,C处空气变成了密部。就这样,鼓膜来回地振动,变使密部和疏部很快地由一个气层传到另一个气层。这样振动的空气向四面八方传开就形成了声波。实际上空气质点只是在原地附近振动,并没有随着声音传播到远处去,这就象我们向平静的水面扔石子时,在水面激起了一圈圈向外扩展的水波一样,水面上漂浮的落叶却只是在原地上下振动而不随着水波传开。不过,水波和声波是不同性质的两种波。水波传播时,水质点的振动方向是上下的,和水波传播的方向互相垂直,这种波称为横波(严格地讲,水波不完全是横波);声波传播时,空气质点的振动方向和声波传播的方向在一条直线上,这种波称为纵波。
 声波传播到人耳后,人耳是怎样听到声音的呢?
  我们知道,人耳是由外耳、中耳、内耳组成的如图所示。

   

  外耳和中耳之间一层薄膜,叫做鼓膜。平常我们看到的耳朵就是外耳,它起着收集声波的作用。声波由外耳进来,使鼓膜产生相应的振动。这一振动再由中耳里的一组耳骨传到内耳,刺激听觉神经并传给大脑,我们就听到了声音。
  媒质传播声音的速度大小和媒质的种类以及环境的温度有关。在常温下,在空气中,声音传播的速度每秒约为340m;在钢铁中,声音传播的速度每秒约为5000m,比在空气中快十五倍。
  为了便于说明声音的特性,我们先看一下记录声音的简便装置。如果将一种称为音叉的发音物体的一个臂上粘上一个细金属针,然后用小槌敲击半叉,并使细金属针紧靠一块熏有炭黑的玻璃片。如果这时将玻璃片用均匀的速度移动,金属针就会在玻璃片上划出音叉的振动痕迹如图所示,也就是音叉振动的波形。

 人们根据听到的声音的不同,归纳出了声音的三个特性,就是音调、响度和音色,而且找出了它们和发声物体振动特性之间的关系。
二、声音的三要素
1、音调
  各个物体振动有快有慢,例如细而短的琴弦振动比较快,粗而长的琴弦振动比较慢。在单位时间(每一秒钟)内物体振动的次数,称为频率,单位为赫(兹)以HZ表示。例如某种物体的振动次数为每秒100次时,它的频率就是100HZ。
  声音的音调高低与物体振动的频率高低有关。频率高的声音,叫做高音;频率低的声音,叫做低音如图所示。

  在重放声音中,当高音和低音分量适当时,听起来就会感到声音清晰而柔和,有自然的感觉。如管弦乐中失去了低音,则感到声音尖锐刺耳;失去了高音,则感到声音混浊不清,有烦躁的感觉。因此,扩音机的频率范围越宽越好。人耳所能听到的声音频率范围大约在16-2000HZ之间(这一范围的频率叫做声频或音频)。
  声频设备所能通过的频率范围,叫做频带。通常扩音机都设有音调控制器,用来控制信号的频率,改变重放声音的音调。
2、响度
  声音的大小就是响度,它决定于物体振动的幅度(即振幅)。如图所示,

 

  振幅大,声音就响;振幅小,声音就轻。在扩音机上装有音量控制器,可以改变声音的响度大小。将音量控制器开大,扬声器发出来的声音就大,但声音也不能调得过大,因为过大了就会增大失真,同时扬声器也容易损坏。因此,必须根据听声人的感觉和扩音机输出过载指示器的闪烁情况,来调节音量的大小。
3、音色
  用各种不同的乐器演奏同样的一个乐音,虽然音调与响度都不一样,但听起来,它们各自的音色却不一样,这是由于物体振动所形成的声波波形不相同的缘故。这种独特的波形就决定了某种乐器(或某人的声音)的特色,叫做音色或音品。自然界的声音一般都是复合声波,而不是单一正弦波的声音。

 

 如图所示的复合声波,是由它的基波、二次谐波、三次谐波(几次谐波就是它的频率为基波频率的几倍)等所构成。各种物体所发出的每个声音都有它特定的谐波,所以声音的合成波形也不同。即使两个声音的基波与谐波的频率完全一样,然而由于两者的基波与谐波之间的振幅比值不同,也会使合成后的声波波形有所不同,使声音也不同。这样,就造成各种声音的独特音色,形成自然界各种各样声音的区别。
三、声压、声压级、声功率和电平
  声波引起空气质点的振动,使大气压产生迅速的起伏。这种起伏,称为声压。所以声压就是有声波存在时,在单位面积上大气压的变化部分。声压(p)以Pa,即帕(斯卡)为单位,有时也有即微巴作单位。我们听到的最弱的声音声压为2×10-5Pa,即0.00002 Pa,最强的声音的声压为20 Pa。
声功率(W)是指声源在单位时间内向外辐射出的总声能,它表示声源发声能力的大小,以W(瓦)、mW(毫瓦)或uW(微瓦)为单位(1W=1000mW=1000000uW)。
  声强是指单位面积上通过多少W的声能,单位是W/m2(瓦/平方米)。
  声强和声功率通常不易直接测量,往往要根据测出的声压通过换算来求得。声强和声压都是表示声音大小的量,但两者是有区别的,声强是能量关系,而声压是压强关系。为了计算上的方便,同时也符合人耳听觉分辨能力的灵敏度要求,所以从最弱的声音(2×10-5 Pa)到最强的声音(20 Pa),按对数方式分成等级,以此作为衡量声音大小的常用单位,这就是声压级。分级单位称为dB(分贝)。声压p的声压级p为


  式中,pr为基准声压=2×10-5 Pa。声信号和电信号的相对强弱,例如声压和电压、声功率和电功率的放大(增益)和减小(衰减)的量都可用dB来表示,dB在录音工程技术上是很重要的。在调音技术中,在调音台和传声器的区配、传声器的选择应用、声源的处理等方面都常用到它。
求给定电压、电流或电功率等电学量和声压、声强、声功率等声学量的dB值时,通常都指定该量的一个数值作为基准值,以给定量数值相比,比值的常用对数值乘以10(电功率、声功率、声强时),或乘以20(声压、电压、电流时)。即


现举例如下:
  例一,电压放大为100倍(即电压比为100:1),改用dB表示,就等于20lg100=20×0=40dB。
  例二,功率放大为1000倍(即功率比为1000:1),改用dB表示,就等于10lg1000=10×3=30 dB。
  如果需要表示的量小于与其相比的量时(即比值小于1时),则dB数前要加一个负号。
四、声频信号的动态范围
  虽然空气振动所产生的声音强度的最大值与最小值的差值(dB值)即动诚范围是很大的,但由于人耳的生理所限制,缩小了可听声的动态范围。可听声波波长由17m-17mm,17 m(即频率为20Hz)的声音是人耳能听见的低频声。可听声的声压范围为2×10-5Pa至20Pa,对1kHz声音通常以听觉下限2×10-5Pa为0dB,这时听觉上限可达120 dB。即听觉上限比下限高出106倍。然而,这些生理上对声压感受的上、下限,并不是广播和电视专业中所选择的上、下限。因120 dB已达痛阈,故上限选在+110 dB以下;又由于噪声的原因,下限也不能选在零dB;它与录音的环境噪声有关,录音室的噪声一般规定不超过30 dB。同时,最小声音信号应高于噪声电平10 dB,这就是说,在广播或电视专业中,声音信号的动态范围为110-(30+10)=70 dB。或者说声音信号的变化范围,如语言为40-50 dB,音乐约90 dB,音响效果约100 dB或更大一些。特别是后两者的动态范围都和听觉范围相接近。这就出现了可用声频信号的动态范围与实际声源的动态范围的巨大差别,这种差别使声音的"层次"级数减少,降低了重放声音的质量。以往声频信号的动态范围只使用到70 dB,比实际声源的动态范围110 dB低得多,这样就限制了原声的质量。但目前激光唱片等数字设备的动态范围已超过90 dB。
五、听觉的主观特征
  录音和扩声的最终目的,是给人们听觉以原来声音再现的感受。这种感觉特性,也是由人们听觉主观特征所决定的。也是我们必须经常研究的一个问题。
  声压和响度在不同频率上相互关系是不同的。也就是说,相同声压不同频率的声音,在听觉上的响度是不同的。另外,就是两种不同频率的"差额"给人听觉上的感受也特别灵敏。科学家已经用实验的方法比较了人耳对各种频率声音实际感受到的响度,得到了一个用方表示声音响度级与频率关系的曲线,称为等响曲线,如图所示。

 它是用1000Hz的纯音作为参考频率,并选定参考频率的声压级,调节其它频率的声压级,直到它们被认为响度相等为止。这样,就可制作成图表,以横坐标表示频率,纵坐标表示声压级(dB),表中间的曲线代表相等的响度级(方)。从响度级来看,这个图表有以下的性质:
(1)两个声音的响度级(方)相同,但声压级不一定相同,它们与频率有关,例如80Hz、70 dB的声音是50方,而1000Hz、60 dB的声音却是60方;二者相比,前者大10 dB,而响度级却小10方。相反,50Hz及500Hz的两个声音,如响度级都等于20方,而声压级则不相等,前者是64 dB,后者是25 dB。
(2)两个声音的响度级(方)及声压级(dB)只在1000Hz才相等,例如800-1000Hz这个范围内,方值的变化和dB值的变化,是完全相等的。因此,在这个范围内,可以用dB代表方。
(3)在响度级大于80方的强大声音时,响度级只决定于声压级(dB)而与频率无关。在此情况下,近似地认为方值与dB值相等。 
  从图表中可以看出,如果几个不同频率的声音声压级都是50 dB时,人耳对50Hz的声音是听不到的,响度级近于0方;100Hz的声音,响度级为20方,300Hz的声音为40方;1000Hz的声音为50方(声压级等于50 dB,二者相同)。对1000Hz来说,声压级每变化10 dB,响度级也改变了10方(在700-1500Hz时,大体上都如此)。但在低频时,如声压级小于90 dB,方比dB变化得快,这些声音的等响度曲线较密,因而,声压级变化3-4 dB时,响度级即变化10方。当频率为50Hz、声压级为68 dB时,响度级为30方(相当于耳语的响度)。当声压级增加10 dB而变为78 dB时,则响度级相应地立即增加,从30方变为60方(相当于普通说话的响度)。
  听觉的这些固有特点,对录音工作者来说是极为重要的。因为相对地稍许加强低音,音量就会大大加强,反之,相对地稍许减弱低音,音量就会大大减弱。
  响度级和声压级之间的数值差越大,对声音强弱变化经的感觉越弱,而且它的频率也越低。因此,低频区域音量的大小又与频率有关。然而响度级大于80方时,声音的响度级只决定于它的声压级,而与频率无关,因而,可以近似地认为,方与dB相等。
  响度是听声音对声波产生的一种主观作用,也就是听声音对声音强度的感受,但响度,主要是声压对耳膜产生的一种作用,当然,还有其它的因素。
所以,我们所听到的声音的响度,不仅与它的音调或频率有关,而且还与它的振幅或声压级有关。
六、双耳效应
  随着宽银幕立体声电影、立体声唱片和立体声广播的不断发展,对如何提高空间录音和放音的质量问题,就显得特别重要和更加迫切了。
  为此,我们有必要进一步研究保存空间效应(环境真实感和远近感)以提高录音和放音质量的问题。
  正常人听到声音后,能判断出声源的远近、前后、左右、上下的空间方位。这就是听觉的方位感。
双耳效应就是由于声音到达人右耳和左耳时候,在时间和声强方面存在着差别(绝对值是微小的)。在低频上产生相位差,在高频上产生声压级的差别。
  产生时间和声压级差别的原因是由于在大多数的情况下,人们的一只耳朵是处在比另一只耳朵距声源较近的位置。
  方位感就是由于人的两耳对同一声源的声压级和相位有不同的感受,使神经系统对声音方向产生了心理的判断所造成的。实践证明,人耳对方向的感受力的敏锐程度,与声音信号的性质有关,人耳对噪音感觉较敏锐,而对纯音感觉较迟钝;单脉冲声音的方向,比连续持久声音的方向容易辨别。
对声源空间位置的感受,不但与判断声音到达两耳的相位和声压级有关,而且也与人的识别能力和经验有关。
  对熟悉的声音和熟悉的环境,判断它的位置要准确些。