第1章 声学基本知识

1.1 声音的基本性质

1.1.1 声音的产生与传播

声音是客观物体振动，通过介质传播，作用于人耳产生的主观感觉。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产生疏密变化，形成疏密波，即声波。

物体振动产生的声音，必须通过空气或其他介质传播，才能让我们听到。没有空气或其他介质，我们就听不到声音。月球上没有空气，所以月球是“无声的世界”。

那么，空气又是怎样传播声音的呢？我们以敲鼓为例来说明。我们敲鼓的时候，鼓膜产生振动，使鼓膜平面发生凸凹变化。如图1-1（a）所示，当鼓膜凸起时，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又会压挤邻近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1-1（b）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，并且使C处空气有变成密部的趋势。当鼓膜再一次凸起时，如图1-1（c）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。这样，鼓膜来回地振动，使密部和疏部很快由一个气层传到另一个气层，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，这就像我们向平静的水面扔石子时，会在水面激起一圈圈向外扩展的水波一样，水面上漂浮的落叶只是在原地上下振动而不随着水波向远处移动。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、中耳和内耳组成的，如图1-2所示。外耳和中耳之间有一层薄膜，叫作耳膜（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听小骨（包括锤骨、砧骨、镫骨）传到内耳，刺激听觉神经并传给大脑，我们就听到了声音。

介质传播声音的速度大小和介质的种类以及环境的温度有关。常温下，声音在空气中传播的速度约为340m/s；在钢铁中，声音传播的速度约为4 000m/s，比在空气中快10多倍。

为了便于说明声音的特性，我们先看一下一个记录声音的简单装置。如图1-3所示，在一种称为音叉的发音物体的一个臂上粘上一个细金属针，然后用小槌敲击音叉，并使细金属针紧靠一块熏有炭黑的玻璃片。如果这时匀速地移动玻璃片，金属针就会在玻璃片上划出音叉的振动痕迹，也就是音叉的振动波形。

人们根据听到的声音的不同，归纳出了声音的3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。

1.1.2 音调

物体的振动有快有慢，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1秒（s）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每秒为100次时，它的频率就是100Hz。

声音的音调高低与物体振动频率的高低有关。频率高的声音，称为高音；频率低的声音，称为低音，如图1-4所示。在重放声音时，若高音和低音分量适当，听起来就会感到声音清晰而柔和，十分自然。如管弦乐中失去了低音，就会感到声音尖锐刺耳；失去了高音，则感到声音浑浊不清，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在20～20 000Hz。

音频设备所能通过的频率范围叫作频带。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。

1.1.3 响度

声音的大小就是响度，它取决于物体振动的幅度（即振幅）。如图1-5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。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，因为过大了就会增加失真，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。

1.1.4 音色

用各种不同的乐器演奏同一个乐音，虽然音调与响度都一样，但听起来它们各自的音色却不同，这是由于物体振动所形成的声波波形不相同造成的。这种独特的波形决定了某种乐器（或某人的声音）的特色，叫作音色或音品。自然界中的声音一般都是复合声波，而不是单一正弦波的声音。图1-6所示的复合声波，是由它的基波、二次谐波和三次谐波（几次谐波就是它的频率为基波频率的几倍）等所构成的。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，也会由于两者的基波与谐波之间的振幅比值不同，使合成后的声波波形有所不同，声音也不同。这样就形成了各种声音的独特音色，产生了自然界各种各样声音的区别。