王波：声音的产生与传播

内容大纲

1、声音如何产生

2、声音传播过程

3、人耳的构造

4、从物理学角度看声音的构成、传播规律

5、与声音有关的计量单位和工具（声速、声阻抗、声压、分贝等）

6、声音的三要素

声学基础知识

对于声音的研究牵涉到很多学科领域。根据研究方法、对象和声音频率特征的不同，它与许多其他学科交叉在一起，形成了很多独特的边缘学科，本课程将涉及三个部分：物理声学、电声学与心理声学。

对客观存在的声音进行研究与分析，是物理声学范畴；

人对声音产生的感觉与反应，是心理声学的范畴；

电声学则是一个复杂而庞大的学科……

在本书中我们只能探讨其中的一小部分，即自然存在的声音转换成电信号。

需要着重说明的是，本章的内容都是建立在已经确立的理论体系上的，充分理解这些内容，将对以后所有涉及到的软件、硬件等工具的应用与创造有着非常重要的意义。由于篇幅上的限制，有些问题无法一一详细讲述。特别是电声学部分，了解越多，对工作、学习和研究的帮助就越大。因为这些知识能够帮助我们更客观更科学地了解声音的状态，从而获得更完善的声音创作手段。

本节课程的主要内容是，声音是如何产生与传播

首先，我们先来了解一下声音是如何产生的。自然状态下，声音是由物体震动产生的，而物体的震动在自然状态下几乎无处不在，甚是整个宇宙都处于振动状态，因此，物理意义上客观存在的声音也就无处不在。只是人耳所能听到和感觉到的声音非常有限。我们把产生振动的发声物体称为声源体。而几乎每种物理存在的物质都可以成为一个声源体。例如：地震也有声音产生，声源体就是地球板块。蚊子的翅膀也是声源体，因此我们可以听到它讨厌的嗡嗡声。

但是，振动要传到人耳之前，需要经过一定的媒介物质。例如：空气，水，木头，金属等。同一个声源体发出完全相同的声音，在经过不同的介质，传达到人耳时，产生的结果是不同的。对人来说，其中最重要的介质，也是理论研究基础的物质，是空气。当然，人体本身也是一种介质。并且有时候它的作用是非常大的。

研究声音的传播过程，是物理声学的起始点。这里我们主要涉及的是室内声学。在理想状态下，当一个声源体产生振动时，振动的能量会以波纹状向四周扩散。我们可以想象，在一个平静如镜的湖面中扔下一颗石头，就能看到水波一圈一圈地向外扩散、伸展。声音的传播方式与这极其接近，因此我们常常提到“声波”一词。不同的是，声音不是平面传播的，而是球状圈，而水波只是一个平面上的上下起伏。例如：在广阔的大草原上，这种空间就是最典型的开放式空间，在这种空间里，如果你大喊一声，那么四面八方都可以听到声音。因为在这种空间里，声波是以圆球状圈扩散出去的。这种形式，我们称之为球面波。当物体产生振动的时候，振动的能量会对空气产生压力，这一压力又通过空气中的粒子将能量传递出去，和水波不同的是，空气中相邻的粒子因压力变化而产生前后震荡或位移。这种前后震荡的轨迹和声波前进的轨迹是一致的。所以说声波是纵波。他是纵向波动的，并且总是跟随着与时间的关系。振动产生能量，被从一个粒子传到另一个粒子，这期间，随着介质传声性能的不同，能量的衰减率也不同。

那么，人是怎样听到声音的呢？首先，我们来了解一下人耳的构造。

人耳是由外耳、中耳和内耳三部分构成，各部分具有不同的作用共同来完成人的听觉。

外耳，包括耳壳和外耳道，它起着收集声音的作用。

中耳，包括鼓膜、鼓室、咽鼓管等部分。由耳壳经过外耳道可通到鼓膜，这里便进人中耳了。

鼓膜俗称耳膜，呈椭圆形，只有它才是接受声音信号的，它能随着外界空气的振动而振动，再把这振动传给后面的器官。

鼓室位于鼓膜的后面，是一个不规则的气腔。有一个管道使鼓室和口腔相通，这个管道叫咽鼓管。咽鼓管的作用是让空气从口腔进人中耳的鼓室，使鼓膜内外两侧的空气压力相等，这样鼓膜才能自由振动。

鼓室里最重要的器官是听小骨。听小骨由锤骨、砧骨和镫骨组成，锤骨直接与鼓膜相依附，砧骨居中，镫骨在最里面，它们的构造和分布就像一具极具天工的杠杆，杠杆的前头连着鼓膜，后头连着内耳。它们能把鼓膜的振幅变小而压力扩大后传给内耳。

内耳的基本功用是感受由鼓膜送来的振动。内耳由不管听觉的三个半规管和专管听觉的螺旋状骨组织──耳蜗组成。半规管和听觉没有关系，是一种平衡器官。负责听觉的耳蜗，内部有一张薄膜，膜上布有听觉神经末梢──是由23500根神经纤维组成，它们通过听觉神经与脑髓膜相联系。耳蜗内部充满了胶质的液体，从鼓膜传来的振动由耳蜗内部的胶质液体传递给薄膜上的神经纤维，引起听觉神经末梢的兴奋，并由听神经及大脑皮层的有关部位进行加工分析，这样就产生了听觉。

因此，外界传来的声音能引起鼓膜振动，这种振动经听小骨及其他组织传给听觉神经，听觉神经把信号传给大脑，人就听到了声音。

在自然界，我们可以听到的声音没有任何两个时刻会是相同的。表面上看，简直无法用任何手段去寻找声音的物理规律。但实际上，它是很有规律的。因为声波的运动是有周期性的。声波在一个运动周期内，传播的距离称为波长，也就是说声波完成一次振动所走的距离。波长的公式为波长=声速/频率 。而频率是在一秒钟内声波运动周期的次数，其单位是赫兹（Hz）。频率高的声音称为高音，频率低的声音称为低音。

声音是声波作用于人耳引起的主观感受。人耳对声波频率的主观感觉范围为20Hz~20kHz。通常，称此范围为音频，低于20Hz为次声波，高于20kHz为超声波。声波的振动幅度越大其能量就越大。通常我们也就感觉到音量越大。声波的振动幅度被称为振幅。因此，频率和振幅是决定一个声音的最基本要素。

我们通过一个正弦波，来解释一下声音的构成。正弦波在自然状态下是不存在的，但正弦波是描述声波特征最形象的方式。更重要的是，正弦波是任何一种声音最基本的波动形式。也就是说，在理论上，自然存在的任何一个声音都是由各种正弦波叠加而成的，称为复合波。其中频率最低的基本正弦波为基频波，而它的整数倍频正弦波称为谐波。这看来实在是不可思议，但事实的确如此。理论上，任何一个自然产生的声音都可以分解为一系列不同的正弦波的组合，而这些正弦波的区别仅仅是在频率、振幅和相位的关系上，从而导致我们感觉到声音千差万别。

声音的传播是需要一定时间的。传播的快慢，我们用声速来表示。也就是声波在某一介质中一秒钟传播的距离，单位为米每秒。可以被人类听见的声音在空气中理想状态下的传播速度，是三百四十四米每秒。但这一速度并不是稳定的，而是随温度湿度等因素的影响而变化的。为了计算方便，通常会使用三百四十米每秒作为剂量标准。声音在不同物质中的传播速度也不同，他在流体和固体中的传播速度要高于空气中的传播速度。因此声音在水下的传播速度要比在陆地上、空气中高数倍。比如十五度的海水中声音的传播速度可以达到大约一千五百米每秒。

古代人很早就发现了这一规律。例如他们会把耳朵贴在路面上以搜索远处的马蹄声，或者军队行军的声音。描述和计算这种差异的方式叫做声阻抗，是由介质的密度和声波速度的乘积来计算。当一个声音在两个不同介质中传播时，两者的声阻抗越大，那么声波反射现象就越显著。声音在空气中的传播也是由于空气流动，且分布密度不同，从而产生各种不同的反射。因此，声音在空气中能量传播就会受到损失。实际情况下声音的传播速度决定于空气的流动速度和相对方向。

声音在空气中传播时，能量的损耗并不是以一个固定的速率衰减。通常情况下，同一个声音，在不同频率段上随距离增加，而衰减的比率并不相同。距离越远，声音在空气中的高频损失越大，低频的能量，衰减随距离的变化则完全不同。我们知道声音是由于发声体振动的能量，通过压动空气传送到人耳的。因此，要对声音进行计算，首先就要对这些能量在空气中的状态进行计算。空气能量的计算就很早就已经开始研究，并且采用了空气压力，简称气压的概念。声学中对声音的度量也由此而展开。但是声音在空气中的状态和气流有很大不同，因此，给了他另一个称呼叫做声压。大家知道空气的流动，是由于空气中不同区域存在不同压力。而气体的压强是随密度成正比变化的。因此声压的单位就是压强的单位帕（pa）。由于我们生活的地球自然环境声音无处不在，并且有些区域高，有些区域低。因此平均声压可以用来描述某一区域内声压的平均状态。但并不是所有的声压都可以被人耳所感觉的。因此又引入另一个重要概念“有效声压”。

声压是可以通过专门的声压测试仪测得的。声压的标准测试工具是“声压计”，简称SLM。标准的声压计上有两个动态高度显示，一个快的，一个慢的。反应快的那个用于反映一些突变声音的变化。而慢的那个则适用于变化趋势较平缓的声音状态。通常，声音的变化曲线是有一定变化规律的。声压计的一大作用就是可以精确地反映声压的额外特征，即噪声。无论声音的传播介质如何，声源产生的能量，总是声音最重要的物理特征，它以声功率方式表达。声功率是指声源每秒所发生的能量，单位是瓦特，缩写符号为w。能量单位是焦耳，因此声功率的计算为：w=J/s。

那么分贝这一计量单位究竟是如何来的呢？

发明电话的英国科学家贝尔发现，人耳对声音强度的反应与声音实际强度并不是一个线性的正比关系。而是更接近于一个对数关系。换句话说，当声音强度增加一定量的时候，人耳感觉到的声音强度，并不是同比例的增加，两者之间的关系恰好近似于对数关系。因此就可以使用对数为刻度单位来表述与计算人对声音强度变化的反应规律。这个刻度单位就是贝尔，缩写符号为bel。贝尔，本来是用来表述电功率增加和衰减情况的一个单位。它描述了两个功率变化量之间的比率。当我们将声压转换为电压的时候，这一计量单位就显得举足轻重了，因为声压本身也存在和电压类似的一个重要物理关系，压力差。因此在声学计算中贝尔就可以用来表示声功率或者说两个声功率之间的比率。这种关系就是我们常说的电平。电功率与声功率之间的转换则称为电声转换。由于有效声压的量，实际上是非常小的。因此在实际使用中贝尔这个单位就显得太大了，必须要有更细化的小单位。就好比有了长度单位 “米”之后。我们还需要“厘米”、“毫米”，这样更小的单位去计算。因此就将原来的一个贝尔划分为十等份，称为“分贝”。即贝尔的十分之一，缩写符号为dB。用公式表达，就是1贝尔=10dB。即一贝尔等于十分贝。

下面我们了解一下声音的三要素，响度，音调，音色。

响度又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度。主要取决于声波振幅的大小。响度是听觉的基础，正常人听觉的强度范围为0dB到140dB。响度与振幅有关，振幅越大声音的响度就越大。响度还与距离发声体的远近有关，距发声体越近，响度越大，距发声体越远声音越发散，人耳感受到的声音响度越小。另外。人听到声音响不响还和发声体的频率有关，我们平时所说的声音大小就是指的是响度。

声音高低一般指的是他的音调。音调也称音高，表示人耳对声音调子高低的主观感受。客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低。单位用赫兹表示，也就是物体每秒振动的次数。频率是用来描述物体振动快慢的物理量。音调的高低是由发声物体振动的频率决定的。振动频率越高，音调越高，人们听到的声音越尖细。振动频率越小，音调越低，人们听到的声音越粗钝。不同物体的振动频率不同，同一物体的振动频率也可以调节。

音色也叫音品，反映了声音的品质与特色。音色由发声体的材料、结构决定。不同发声体的材料不同、结构不同发出的声音的音色也就不同，我们能分辨出不同的人，不同的乐器就是根据他们的音色分辨出来的。

希望通过以上课程的学习大家能了解到声音的产生与传播的过程。