1.1 声学基础问答

1.1.1 声音是怎样产生的？声速是多少？

一颗石子扔进水里，会产生水波纹并沿水平面向外扩散。声音的特征与此相似。物体的机械振动会产生声音，不过声音的传播不是沿一个平面进行的，而是向四面八方传播（球形）。

振动引起的空气疏密波纹以一定周期往返进行，常用正弦波来表示，如图1-1所示。

声波在空气中的传播速度一般按340m/s计算，严格来讲，声速与温度、湿度有关，不同介质内的声速也不相同，为了计算方便，本书中声速一律取340m/s。

声波在空气中的传播速度，可以用下式近似表示。式中，t为空气中的温度（℃）。

C=331.4+0.61t(m/s)

在实际应用中，当多只音箱同时使用在某声场时，经常会算出时间差进行延时处理，距离和时差的计算公式如下：

距离÷声速×1000=时间差（ms）

例如，声速为340m/s，两只相差12m的音箱的时间差是多少？

12÷340×1000=35.29（ms）

音响系统中1ms的时间差也是要被重视的，因为相差1ms的时间，就会带来约34cm的距离差。例如有些音响师在底鼓拾音时在底鼓内与底鼓外摆放拾音话筒，两支话筒的距离约34cm，然后在数字调音台给底鼓内话筒延时1ms，就是考虑了声速和时间差。

1.1.2 什么是波的频率？

波的频率是指单位时间内在某点通过的波的个数，用f表示。换句话说，频率是单位时间内介质振动的次数，每秒钟振动20次则频率为20Hz，每秒钟振动1000次则频率为1000Hz。

20～20000Hz就是所谓的可听声范围，频率高于20000Hz的声波是超声波，低于20Hz的声波是次声波。

虽然理论上人耳可以听到20000Hz，但是实质上大多数人并不能听到这么高的频率。笔者在教学中曾调查了近千人，发现能够听到18000Hz的人不超过半数，尤其是随着年龄的增加，人们的听力会慢慢退化，对高频的响应也受到很大的影响。

1.1.3 什么是波长？什么是周期？

波长——声音在一个振动周期内所传播的距离，即：波长 = 声速/频率（λ= C/f），如图1-2所示。其中：C代表声速，f代表频率，λ代表波长。

周期——指波形循环一周所需要的时间，用T表示，即T =1/f。

例如：频率为100Hz，周期为T= 1/100 =0.01(s)，波长为λ= 340/100=3.4(m)。

100Hz的波波长为3.4m,1000Hz的波波长为0.34m,10000Hz的波波长为0.034m，音响师对这些应能不假思索地说出来，以便现场快速计算。

可听声的频率范围为20～20000Hz，可计算出频率最低的可听声的波长为17m，频率最高的可听声的波长为1.7mm。

1.1.4 什么是声音的相位？

相位（phase）是对于波在某时间点是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。通常以度（角度，°）作为单位，也称作相位角。当信号波形以周期性的方式变化时，波形循环一周即为360°，如图1-3所示。

在某个聆听点，将指定的频率段每一个频率的相位连接起来用一条曲线表示，这条曲线就叫作相位曲线。

不同频率信号在单位时间内的振动次数是不同的——如200Hz的波每秒钟振动200次，而20Hz的波每秒钟振动20次，换句话说，20Hz的波完成一次振动的同时，200Hz的波已经完成了10次振动，因此，除了发声原点，不同频率的波在同一个时间节点上相位是不同的。

由于在发声原点上各频率相位起点均匀0°，因此测量时通过在“发声”和“收声”之间插入延时值而得到的相位曲线应该是一条直线（发声原点线）。

测试软件中的相位曲线描述了被测试设备的相位响应情况（见图1-4）。而事实上，因为工艺的原因，许多音箱对各个频率的响应存在误差，多数情况下音箱对高频响应快而对低频响应较慢，不同频率存在一定的时间差。也就是说一些音箱播放同一个声波信号时会先发出这个信号的高频，再发出低频，并不能完全同时发出这个信号的不同频率。人耳对相位问题是非常敏感的，当音箱相位曲线存在问题的时候，人们在主观上会感受到声音发虚、无力、发声不准确。

随着科技的发展，人们可以用更多的手段来修整相位曲线，改善音箱质量。图1-4是某品牌8寸全频音箱的测试曲线，可以看到该扬声器的频响曲线良好，相位响应较好但并非直线。图中相位响应部分横轴代表信号的频率，纵轴表示在当前时间点该频率的相位角。如果被测设备各个频率的发声时间不一致，曲线将会呈现有规律或无规律的混乱状态。

1.1.5 声波在空间中相遇会发生什么？

几个波源产生不具有相干性的波，同时在同一介质中传播，如果这几个波在空间某点处相遇，那么相遇处质点的振动将是各个波所引起的分振动的合成，每个波都独立地保持自己原来的特性（频率、波长、振动方向等），就像在各自的路程中并没有遇到其他波一样，这种波动传播的独立性称为波的叠加。

1.1.6 正弦波在电路中相遇会发生什么？

声音的三要素指声音的强度、音调（高低）和音色。纯音是正弦波，复杂的声音是不同频率的波叠加而成的，图1-5所示为基波和9倍的高次谐波叠加，不同的波形构成不同的音色。

1.1.7 什么是相干性？

如果波与波的振动频率相同、相位差值恒定的波相遇会产生明显的干涉现象，这种两列波或多列波的振动频率相同与相位差值定的特性就是波的相干性，产生干涉现象的波叫作相干波，相应的波源叫作相干波源。

这句话不太容易明白，下面来举例说明。

张三和李四在一起唱同一首歌，唱的音调虽然一样，但是其音色包络、声波相位特点完全不同，故而没有相干性。

而张三拿着话筒唱歌，左右两只音箱里都发出了他自己的歌声，两只音箱发出的歌声振动频率一致、相位曲线一致，若聆听者离两只音箱的距离不相等，两只音箱发出的波到人耳中因为存在时间差而导致有相位差，但是这个相位差值是固定的，所以两只音箱发出的张三的歌声是相干的。

再举一个例子。讲桌上摆放的两支鹅颈话筒收取了同一个人的声音信号，这两支话筒所输出的音频信号是相干的。

当两个具有相干性的声源混合在一起的时候，假如它们到达聆听点的时间不完全一致，便极易造成声干涉。

在测试软件Smaart中，相干性用一条曲线（默认为红色）表示，称为“相干性曲线”，如图1-6所示。这条曲线反映了测试话筒所拾获的声音信号与信号发生器发出的信号是否一致。因为原始信号经过音箱输出后可能会受到环境的影响而被改变特性，若音箱输出的声波与原始信号差距太大就表现为相干性较低。

图1-6中用一只超低音音箱做测试，在干扰较小的情况下，测试话筒收到了超低音音箱发出的声波，经过与信号发生器发出的原信号进行对比，软件识别出它们是同一个信号源，且被干扰的因素很小，因此软件显示相干性高。

在实际现场演出的测量中，影响相干性的主要因素是反射声以及环境噪声。相干性较低的时候软件所显示的频率曲线不一定能反映设备的实际状态，也有可能是其他声学原因造成了频率的误差。

1.1.8 什么是倍频程？

拨动一条50cm长的琴弦会发出清脆悦耳的声音。在同样的张力下，将它一分为二，分成两条25cm长的琴弦，这时25cm的琴弦所发出的声音比50cm长的琴弦高一个倍频程。

倍频程也称八度音，它是声学中声音频率的一个相对尺度。

100～200Hz为一个倍频程，200～400Hz又是一个倍频程。所谓高一个倍频程或低一个倍频程就是频率高一倍或低一半。我们使用的均衡器以1/3倍频程最为普遍，也就是在每一个倍频程设计3个推子控制频率，如图1-7所示。

查看实时频率响应的RTA设备一般会提供1Oct （倍频程）、1/3Oct （倍频程）和1/6Oct（倍频程）的精度选择，高精度设备还可能提供1/12Oct供选择，精度越高对频率的表现就越精确。

1.1.9 什么叫分贝？什么叫声压级？

小明家的房子高15m，小何家的房子高10m，小明说：我家房子比小何家房子高，这种说法正确么？我们用这个问题来简单说说分贝（dB）。

小明家房子比小何家房子高5m，这是一个相对差值。

小明家房子高15m，指的是从他家院子地面算起来的高度为15m，这是以地面作为参考点。

小明家房子的绝对高度需要用海拔来衡量，从海平面算起他家房子的高度可能是海拔500m，这个是绝对值，参考点为海平面，将海平面定义为“0”并作为基准值。

音箱系统中的dB可能是一个差值，比如音箱1音量比音箱2大3dB；也可能是一个相对值，比如说1V的电压等于0dBV，也等于2.2dBu，出现这样的结果的原因是他们的参考点不同。如果大家纷纷用不同的参考点来描述dB的话不就混乱了吗？故此dB还有绝对值，这个绝对值是全世界统一的，这些标准的参考点统一都被称为“0”点，就像海平面的意义一样。

当振动产生声音时，空气中的大气压会受到影响，大气压被影响后产生的变化称为“声压”，单位是Pa。人耳能听到的1kHz声音的最小声压为0.00002Pa，人们将其称为“0”点（基准声压，定义为“0dB SPL”，有时候也被写为“0dB LP”），就如同海平面一样。由于人耳对声音的感知呈对数关系，所以从声压到声压级的换算也是用对数来计算。

已知 0.00002Pa是0dB SPL，那么1Pa是多少 dB SPL呢？计算公式如下：

式中：P为需要计算的声压；P0是基准声压，为0.00002 Pa。

当声压为1Pa时：

1Pa是个常用的声压值，用声压级表示是94dB SPL。

用声压计测试声压级时，为了保证测试的准确性，一般要对其进行校准，用声校准仪发出1Pa的信号对准声级计，将声压计刻度调整为94dB后，就可以通过声级计获得准确的声压级读数了。

1.1.10 什么是声波的平方反比定律？

将一个点燃的爆竹抛投到空中，其爆炸所发出的声音会辐射到四面八方，这种点声源所产生的波称作球面波。当半径增大一倍时，球的表面积成为原面积的4倍，单位面积上的能量就减少为原先的1/4，也就是单位面积上的能量与半径的平方成反比。通过计算可知，离开声源的距离每扩大一倍，直达声的声压级就减少6dB，如图1-8所示。

在拾音时，如果某人讲话时而离话筒5cm、时而离话筒10cm，这个微小的距离差会导致6dB声压级误差，影响是非常大的。同样，若有人站在音响前面1m处，另一个人站在音响前面2m处，两人所处位置的声压级理论上相差6dB，但是在15m处和16m处的声压级理论上差别不是太大。耳机的声音很微小，可是当它靠近耳膜时，就可以让聆听者听到很大的声音，这就是距离与声压级关系的最好体现。

1.1.11 什么叫等响曲线？

在初期的声学测量中，人们发现仪器所测试的数据和人们对声音的强弱主观感知并不相符，这主要是因为人的耳朵对不同频率的声音信号的判断并不是平直的。例如仪器显示100Hz已经85dB了，但我们听了之后感觉才80dB，对于人耳的响度感受和实际仪器测量的客观数据的研究结果便是等响度曲线，其实就是主观响度级与客观声压级与频率的关系，如图1-9所示。

声音的响度感觉用“方”（phon）来表示，声压级用分贝（dB）表示。

从图1-9可知，响度60方时，40Hz的声音要达到84dB时才可以让人觉得与1000Hz/60dB的响度一致（图中红色标记）。

在40方的等响曲线上，40Hz相对于1000Hz来说声压级之差为30dB（图中绿色标记），而大约在90方时，40Hz与1000Hz的声压级之差为15dB（图中蓝色标记），因此，现场演出时主音箱大约在90dB时，超低音一般在100dB到105dB，这样人们觉得超低音与全频的响度是恰当的。

1.1.12 什么叫作dBA、dBB、dBC？

每次都去查看等响曲线才能知道实际演出中感知响度与客观声压级和频率之间的关系，实在太麻烦了，于是人们干脆把一些等响曲线的数据加载到声级计里，这样就可以直接读出与人们主观听感一致的读数，这就是计权网络。

声级计的频率计权通常有A、B、C、D之分，通过计权网络测得的声压级叫作计权声压级，不通过计权网络的称为线性声压级，用Z计权声压级表示。A、B、C计权分别近似地模拟40方、70方和100方3条等响曲线。图1-10为Smaart声级计测量结果示意。

所谓dBA就是在A计权下获得的数据，被称为A计权声压级，也称A声压级。曲线接近于40方的等响曲线，在这条曲线上，50Hz的声音至少比1000Hz大30dB才被认为响度一致，因为在测量时低频不可能有这么高的响度，所以A计权对低频段没什么反应，所测的数据都是中高频的响度。

在现场演出中测量时，可以用A计权作为参考查看全频音箱的声压级，而用C计权作为参考查看超低音音箱的声压级。一般流行音乐性质的演出现场查看的C计权声压级会比A计权大10～15dB。