3.1　声音概述

3.1.1　声音的定义

以音叉的振动来举例：当音叉振动产生声波时，会在介质点的平衡位置附近做往复运动，带动音叉周围的空气振动（声波由物体振动产生的），当振动在一定的频率和强度范围内时，人耳就可以听到。发生振动的物体称为声源，有声波传播的空间称为声场。当声源在空气中推动时，介质中振动着的质点的位移会作用到相邻质点，使后者也产生振动，物理学中把声源振动在介质（空气或其他物质）中的传播称为声波。声波在15℃时，大约以340m/s的速度由声源向外传播。气体中的声波属于纵波，即波的前进方向与介质点的振动方向在一条直线上。如此可以推断，横波是介质点的振动方向与波的前进方向是垂直的，横波也称“凹凸波”。但在固体中传播时，也可以同时有纵波及横波，如图3-1所示。

1.声速

描述声音传播速度的物理量，大小等于声音在单位时间内传播的距离称为声速（通常以c表示，国际单位是m/s）。

声音的传播需要物质，物理学中把这样的物质称为介质。

以下是一些声音在不同的介质中的传播速度：

真空0m/s（也就是不能传播）　　空气（15℃）340m/s

空气（25℃）346m/s　　软木500m/s

煤油（25℃）1324m/s　　蒸馏水（25℃）1497m/s

海水（25℃）1531m/s　　水（常温）1500m/s

铜（棒）3750m/s　　大理石3810m/s

铝（棒）5000m/s　　铁（棒）5200m/s

※记住：声音在不同的物质中的传播速度不同。

2.频率

频率是单位时间内完成周期性变化的次数，单位是Hz（赫兹，简称赫）。人耳听觉的频率范围约为20Hz～20kHz，超出这个范围的就不为人耳所察觉。低于20Hz为次声波，高于20kHz为超声波。声音的频率越高，则声音的音调越高；声音的频率越低，则声音的音调越低。

可听的频率范围可分为以下几个阶段：

低频　20～200Hz；

中频　200Hz～5kHz；

高频　5～20kHz。

有时中频还可以进一步分为：

中低频　200Hz～1kHz；

中高频　1～5kHz。

3.波长

波长是指波在一个振动周期内传播的距离，即波峰到波峰（或者波谷到波谷）的距离，如图3-2所示。

4.振幅

振动物体离开平衡位置的最大距离称为振动的振幅。振幅描述了物体振动幅度的大小和振动的强弱。人耳将振幅转化为音量。波形越高，音量越大；波形越低，音量越小。振幅在声波中的计量单位为dB（分贝）。

5.频谱结构

频谱结构决定音色。声音的基频和谐波的数目以及它们之间的相互关系称为频谱结构。频谱就是频率的分布曲线，复杂的振荡可以分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按照频率排列的图形称为频谱。它将对信号的研究带来更直观的认识。

6.包络

包络就是随机过程中的振幅随着时间变化的曲线。

3.1.2　声音的特点

1.声音的传播特点

（1）声波的反射

声波在传播的过程中，遇到尺寸比声波大的坚硬界面，会产生反射。反射角等于入射角。反射的声波好像是从反射面的后面与声源相对的位置发射出来的，就像反射面的后面有一个发声源，称为虚声源（镜像声源），它与反射面的距离等于声源与反射面的距离。

当声源在一个凹形反射面前时，声波会聚成一个焦点（雷达、电暖气）。对于不需要这种现象的场合或者场所中（例如播音厅），为了声波的扩散，应该要避免凹形的反射面。

当声源在一个凸形反射面前时，声波会产生扩散的效果（山路U形弯的反射镜）。播音厅中的设计经常使用凸面结构，来增加声波的扩散，使声场中声能的密度变得均匀。

（2）声波的衍射

当声波在传播过程中遇到障碍物的起伏尺寸与波长大小接近或更小时，将不会形成定向反射，而是散播在空间中，这种现象称为衍射。影响因素：障碍物的尺寸或缝孔的宽度与波长接近或更小时，才能观察到明显的衍射现象。这不是决定衍射能否发生的条件，只是使衍射现象明显表现的条件。波长越大，越容易发生衍射现象。

（3）声波的干涉

声波能发生干涉，可以用音叉来演示。当音叉产生振动发出声音的时候，它的两个叉股产生的频率是相同的，它们产生的两列声波发生干涉，出现加强区和减弱区。在加强区，空气的密度增大，振动加强，听到的声音也强。在减弱区，空气的密度减小，振动减弱，听到的声音也弱。综上所述，当转动正在振动的音叉时（以音叉手柄为中心旋转），就会听到声音忽强忽弱。

在空间形成振幅恒定不变的振动称为驻波。

（4）声波的能量耗损

根据平方反比定律，声波是向四面八方传播的。在传播过程中，距离越远，分配在每单位表面积上的声能就越小，导致距离越远声音就越小。

在遇到障碍物时，声波会被反射或衍射，还有一部分能量会被障碍物吸收，这也是声能损耗的一部分途径。

根据声波在空气和钢铁中传播可以推导出来，密度越大的传的距离越远，介质不一样，传播的速率也不同。

声波在介质中的损耗主要有如下几种：第一是随着声波在介质中的扩散使得某个方向上介质的密度降低，声波在铁轨中传得远就是因为铁轨的形状使得声波不易扩散，能量集中；第二是因为介质都不是理想弹性，声波传递的过程存在耗损和扩散，即一部分能量会转变为热，这与介质的弹性性能有关，容易受到压力、温度等的影响，还与声波的频率有关；第三是在介质边界处也会有明显的损耗。单纯从介质来说那就是弹性性能越好、体积模量越大的介质损耗越少。固体中除了纵波之外还有横波，纵波受体积模量影响横波的话就是切变模量。一般在15℃下，声波在空气（大气压依次增大）、液体、固体中的传播速度依次增大，能量于传播中被吸收，这涉及两个变量：介质损耗程度和介质传播速度。

【实例分析3-1：录音棚的声学装修】

结合声音的特性和声音传播的特点，我们知道，好的声音是需要频响平直、响度适中的。多数音乐都是在录音棚中进行录制的。在录音棚的装修设计中，有一部分是关于声学装修。那么这部分设计，就需要参考声音的特性和声音的传播特点。

录音棚声学设计中很重要的一点就是需要隔音。把外界声音隔绝，才能录到干净的声音。所以，录音棚的墙体会很厚，而且中空，就是为了阻挡声音通过墙体的振动传播进来。第二点是吸音。录音棚通常会很大很空，但在录音的过程中，通常不能录到很大的混响，所以就需要有专门的吸音材料来进行吸音。第三点是声音的扩散。录音棚中不能出现驻波，所以录音棚的墙面，是不能出现平行面的。

隔音、吸音和扩散，都是应用了声音传播的特性。

2.人耳听觉的几种效应

（1）掩蔽效应

一种频率的声音阻碍听觉系统感受另一种频率的声音的现象称为掩蔽效应。前者称为掩蔽声音，后者称为被掩蔽声音。掩蔽可分成频域掩蔽和时域掩蔽。

例如，在声音的整个频率中，如果某一个频率段的声音比较强，则人就对其他频率段的声音不敏感了。应用此原理，人们发明了MP3等压缩的数字音乐格式，在这些格式的文件里，只突出记录了人耳朵较为敏感的中频段声音，而对于较高和较低的频率的声音则简略记录，从而大大压缩了所需的存储空间。在人们欣赏音乐时，如果设备对高频响应得比较好，则会使人感到低频响应不好，反之亦然。

【实例分析3-2：掩蔽效应在现场的应用】

可以从模拟酒吧聊天状态的方式来体验掩蔽效应。酒吧里的环境通常是吵闹的。所以在酒吧里，人们需要提高自己说话的响度和音调才能让对方听清，这就是掩蔽效应。这种说话的状态和在安静的卧室里地说话状态是完全不同的。可以尝试让一个人在安静的卧室里戴着耳机听很大声音的摇滚乐，然后跟另外一个没有听音乐的人交流。结果就是戴耳机的人说话声音会让没戴耳机的人感到震耳欲聋，而没戴耳机的人说话声音会让戴耳机的人听不到。

利用这样的效应和现象，在拍戏中遇到酒吧场景，就需要注意了。因为同期录音中不能有酒吧的音乐、人群的嘈杂和灯光等设备的噪声。在现场一定是非常安静的，等到后期再将这些环境声加进去。所以在现场演员因为环境不同而有可能语调语气不一样。可以让演员戴着耳机听很大声的摇滚乐，然后去对戏，这样可以找到真实酒吧环境中说话的感觉。在实拍时，把耳机去掉，保持刚才说话的状态，就可以了。利用这样的技巧，可以轻而易举地解决在酒吧中没有环境但需要有状态的问题。

（2）双耳效应

双耳效应是人们依靠双耳间的音量差、时间差和距离差判别声音方位的效应。主要用于对声音的定位。

（3）哈斯效应

双声源的不同延时给人耳听觉反映出的感受，称为哈斯效应。根据哈斯效应原理，可以校正扩声系统的声像问题。

（4）鸡尾酒会效应

鸡尾酒会效应是指人的听力选择能力，是一种主观感受，一种心理现象。注意力集中在某一个人的谈话中而可以忽略其他人的对话。例如，当人们和朋友在一个鸡尾酒会或某个喧闹场所谈话时，尽管周边的噪声很大，还是可以听到朋友说的内容。同时，在远处突然有人叫自己的名字时，人们会马上注意到。又如，在周围交谈的话题是我们感兴趣的话题时，就会下意识地注意周围的谈话而忽略其他的声音。

【实例分析3-3：拍摄过程中避免鸡尾酒会效应】

鸡尾酒会效应在生活中给予人们很多帮助，但是在拍摄影片时，它又会给人们带来很大的麻烦。在拍片子的时候都会出现这样的情况：在一个相对不是特别安静的环境下拍摄一段画面，拍摄的时候感觉台词非常清晰、电平量足够大，但回去后却发现，周围的环境噪声非常大，导致台词清晰度下降甚至听不清，信噪比非常低。这个现象就是人耳的鸡尾酒会效应造成的，在拍摄的过程中，人们将注意力都放在了台词上，感觉台词的响度是足够的，在后期制作的时候，则是以一个整体的角度去听判这个声音，于是就会发现之前没有听到的现场噪声。因为人的大脑是有主观感受的，但话筒、录音机是能够客观记录的设备，它们是不能进行选择性记录的。所以，在拍片子的时候，不仅仅要单方面注意台词，还要注意周围的环境声对台词的影响。从整体来审听声音的质量，从而避免在拍摄中产生的鸡尾酒会效应对影片声音质量的影响。

（5）多普勒效应

当发声源与听者之间发生相对运动时，听者所感受到的频率改变的现象称为多普勒效应。

【实例分析3-4：生活中的多普勒效应】

人们常常会在马路上听到救护车或警车鸣着警笛呼啸而过。你会发现，以车子离自己最近的点为标记，可以分为前后两段。前半段随着距离越来越近，警笛声的响度会越来越大，音调会越来越高。在经过自己的时候，音调瞬间变低，然后随着远去，警笛声越来越小，音调越来越低。这就是典型的多普勒效应的感受。