第1章 聲學(xué)基本知識
1.1 聲音的基本性質(zhì)
1.1.1 聲音的產(chǎn)生與傳播
聲音是客觀物體振動,通過介質(zhì)傳播,作用于人耳產(chǎn)生的主觀感覺。語言、歌唱、音樂和音響效果以及自然界的各種聲音,都是由物體振動產(chǎn)生的。例如我們講話時(shí),如果將手放在喉部,就會感到喉部在振動。人的發(fā)聲器官(聲帶),樂器的弦、擊打面、薄膜等,當(dāng)它們振動時(shí),都會使周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)隨著振動而產(chǎn)生疏密變化,形成疏密波,即聲波。
物體振動產(chǎn)生的聲音,必須通過空氣或其他介質(zhì)傳播,才能讓我們聽到。沒有空氣或其他介質(zhì),我們就聽不到聲音。月球上沒有空氣,所以月球是“無聲的世界”。
那么,空氣又是怎樣傳播聲音的呢?我們以敲鼓為例來說明。我們敲鼓的時(shí)候,鼓膜產(chǎn)生振動,使鼓膜平面發(fā)生凸凹變化。如圖1-1(a)所示,當(dāng)鼓膜凸起時(shí),鼓膜上面A處的空氣受到鼓膜的壓擠而密度變大,形成密部。這部分密度大的空氣又會壓擠鄰近B處的空氣,使B處的空氣有變成密部的趨勢。但鼓膜很快又凹下去,如圖1-1(b)所示,它的表面形成一個(gè)空隙,A處空氣密度變小,形成疏部。這時(shí),B處的空氣正在受到壓擠變成密部,并且使C處空氣有變成密部的趨勢。當(dāng)鼓膜再一次凸起時(shí),如圖1-1(c)所示,A處空氣又受到鼓膜壓擠重新變成密部,B處空氣在壓擠C處空氣的過程中,自己密度變小成為疏部,C處空氣變成了密部。這樣,鼓膜來回地振動,使密部和疏部很快由一個(gè)氣層傳到另一個(gè)氣層,振動的空氣向四面八方傳開就形成了聲波。實(shí)際上,空氣質(zhì)點(diǎn)只是在原地附近振動,并沒有隨著聲音傳播到遠(yuǎn)處去,這就像我們向平靜的水面扔石子時(shí),會在水面激起一圈圈向外擴(kuò)展的水波一樣,水面上漂浮的落葉只是在原地上下振動而不隨著水波向遠(yuǎn)處移動。不過,水波和聲波是不同性質(zhì)的兩種波。水波傳播時(shí),水質(zhì)點(diǎn)的振動方向是上下的,和水波傳播的方向互相垂直,這種波稱為橫波(嚴(yán)格地講,水波不完全是橫波);聲波傳播時(shí),空氣質(zhì)點(diǎn)的振動方向和聲波傳播的方向在一條直線上,這種波稱為縱波。

圖1-1 聲音的傳播
聲波傳播到人耳后,人耳是怎樣聽到聲音的呢?
我們知道,人耳是由外耳、中耳和內(nèi)耳組成的,如圖1-2所示。外耳和中耳之間有一層薄膜,叫作耳膜(鼓膜)。平常我們看到的耳朵就是外耳,它起著收集聲波的作用。聲波由外耳進(jìn)來,使鼓膜產(chǎn)生相應(yīng)的振動。這一振動再由中耳里的一組聽小骨(包括錘骨、砧骨、鐙骨)傳到內(nèi)耳,刺激聽覺神經(jīng)并傳給大腦,我們就聽到了聲音。
介質(zhì)傳播聲音的速度大小和介質(zhì)的種類以及環(huán)境的溫度有關(guān)。常溫下,聲音在空氣中傳播的速度約為340m/s;在鋼鐵中,聲音傳播的速度約為4 000m/s,比在空氣中快10多倍。
為了便于說明聲音的特性,我們先看一下一個(gè)記錄聲音的簡單裝置。如圖1-3所示,在一種稱為音叉的發(fā)音物體的一個(gè)臂上粘上一個(gè)細(xì)金屬針,然后用小槌敲擊音叉,并使細(xì)金屬針緊靠一塊熏有炭黑的玻璃片。如果這時(shí)勻速地移動玻璃片,金屬針就會在玻璃片上劃出音叉的振動痕跡,也就是音叉的振動波形。

圖1-2 人耳的構(gòu)造

圖1-3 音叉的振動波形
人們根據(jù)聽到的聲音的不同,歸納出了聲音的3個(gè)特性,就是音調(diào)、響度和音色,而且找出了它們和發(fā)聲物體振動特性之間的關(guān)系。
1.1.2 音調(diào)
物體的振動有快有慢,例如細(xì)而短的琴弦振動比較快,粗而長的琴弦振動比較慢。在1秒(s)內(nèi)物體振動的次數(shù),稱為頻率,單位為赫(茲),以Hz表示。例如,某種物體的振動次數(shù)每秒為100次時(shí),它的頻率就是100Hz。
聲音的音調(diào)高低與物體振動頻率的高低有關(guān)。頻率高的聲音,稱為高音;頻率低的聲音,稱為低音,如圖1-4所示。在重放聲音時(shí),若高音和低音分量適當(dāng),聽起來就會感到聲音清晰而柔和,十分自然。如管弦樂中失去了低音,就會感到聲音尖銳刺耳;失去了高音,則感到聲音渾濁不清,有煩躁的感覺。因此,擴(kuò)音機(jī)的頻率范圍越寬越好。人耳所能聽到的聲音頻率范圍在20~20 000Hz。

圖1-4 兩個(gè)不同頻率的波形
音頻設(shè)備所能通過的頻率范圍叫作頻帶。通常擴(kuò)音機(jī)都設(shè)有音調(diào)控制器,用來控制信號的頻率,改變重放聲音的音調(diào)。
1.1.3 響度
聲音的大小就是響度,它取決于物體振動的幅度(即振幅)。如圖1-5所示,振幅大,聲音就響;振幅小,聲音就輕。在擴(kuò)音機(jī)上裝有音量控制器,可以改變聲音的響度。將音量控制器開大,揚(yáng)聲器發(fā)出來的聲音就大,但聲音也不能調(diào)得過大,因?yàn)檫^大了就會增加失真,同時(shí),揚(yáng)聲器也容易損壞。因此,必須根據(jù)聽聲人的感覺和擴(kuò)音機(jī)輸出過載指示器的閃爍情況來調(diào)節(jié)音量的大小。
1.1.4 音色
用各種不同的樂器演奏同一個(gè)樂音,雖然音調(diào)與響度都一樣,但聽起來它們各自的音色卻不同,這是由于物體振動所形成的聲波波形不相同造成的。這種獨(dú)特的波形決定了某種樂器(或某人的聲音)的特色,叫作音色或音品。自然界中的聲音一般都是復(fù)合聲波,而不是單一正弦波的聲音。圖1-6所示的復(fù)合聲波,是由它的基波、二次諧波和三次諧波(幾次諧波就是它的頻率為基波頻率的幾倍)等所構(gòu)成的。各種物體所發(fā)出的每個(gè)聲音都有它特定的諧波,所以聲音的合成波形也不同。即使兩個(gè)聲音的基波與諧波的頻率完全一樣,也會由于兩者的基波與諧波之間的振幅比值不同,使合成后的聲波波形有所不同,聲音也不同。這樣就形成了各種聲音的獨(dú)特音色,產(chǎn)生了自然界各種各樣聲音的區(qū)別。

圖1-5 兩個(gè)振幅不同的波形

圖1-6 復(fù)合聲波
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