第1章 聲學基本知識

1.1 聲音的基本性質

1.1.1 聲音的產生與傳播

聲音是客觀物體振動，通過介質傳播，作用于人耳產生的主觀感覺。語言、歌唱、音樂和音響效果以及自然界的各種聲音，都是由物體振動產生的。例如我們講話時，如果將手放在喉部，就會感到喉部在振動。人的發聲器官（聲帶），樂器的弦、擊打面、薄膜等，當它們振動時，都會使周圍的空氣質點隨著振動而產生疏密變化，形成疏密波，即聲波。

物體振動產生的聲音，必須通過空氣或其他介質傳播，才能讓我們聽到。沒有空氣或其他介質，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。我們敲鼓的時候，鼓膜產生振動，使鼓膜平面發生凸凹變化。如圖1-1（a）所示，當鼓膜凸起時，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，它的表面形成一個空隙，A處空氣密度變小，形成疏部。這時，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。當鼓膜再一次凸起時，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氣層傳到另一個氣層，振動的空氣向四面八方傳開就形成了聲波。實際上，空氣質點只是在原地附近振動，并沒有隨著聲音傳播到遠處去，這就像我們向平靜的水面扔石子時，會在水面激起一圈圈向外擴展的水波一樣，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處移動。不過，水波和聲波是不同性質的兩種波。水波傳播時，水質點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（嚴格地講，水波不完全是橫波）；聲波傳播時，空氣質點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。

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。聲波由外耳進來，使鼓膜產生相應的振動。這一振動再由中耳里的一組聽小骨（包括錘骨、砧骨、鐙骨）傳到內耳，刺激聽覺神經并傳給大腦，我們就聽到了聲音。

介質傳播聲音的速度大小和介質的種類以及環境的溫度有關。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，我們先看一下一個記錄聲音的簡單裝置。如圖1-3所示，在一種稱為音叉的發音物體的一個臂上粘上一個細金屬針，然后用小槌敲擊音叉，并使細金屬針緊靠一塊熏有炭黑的玻璃片。如果這時勻速地移動玻璃片，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。

人們根據聽到的聲音的不同，歸納出了聲音的3個特性，就是音調、響度和音色，而且找出了它們和發聲物體振動特性之間的關系。

1.1.2 音調

物體的振動有快有慢，例如細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）內物體振動的次數，稱為頻率，單位為赫（茲），以Hz表示。例如，某種物體的振動次數每秒為100次時，它的頻率就是100Hz。

聲音的音調高低與物體振動頻率的高低有關。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，若高音和低音分量適當，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，擴音機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。

音頻設備所能通過的頻率范圍叫作頻帶。通常擴音機都設有音調控制器，用來控制信號的頻率，改變重放聲音的音調。

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。在擴音機上裝有音量控制器，可以改變聲音的響度。將音量控制器開大，揚聲器發出來的聲音就大，但聲音也不能調得過大，因為過大了就會增加失真，同時，揚聲器也容易損壞。因此，必須根據聽聲人的感覺和擴音機輸出過載指示器的閃爍情況來調節音量的大小。

1.1.4 音色

用各種不同的樂器演奏同一個樂音，雖然音調與響度都一樣，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合聲波，而不是單一正弦波的聲音。圖1-6所示的復合聲波，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）等所構成的。各種物體所發出的每個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特音色，產生了自然界各種各樣聲音的區別。