1.2 聲音的參數(shù)與計(jì)量

1.2.1 聲壓、聲壓級(jí)、聲功率和電平

聲波引起空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，使大氣壓產(chǎn)生迅速的起伏，這種起伏稱為聲壓。所謂聲壓就是有聲波存在時(shí)，在單位面積上大氣壓的變化部分。聲壓（p）以Pa，即帕（斯卡）為單位（1Pa=1N/m2，即牛頓/米2），有時(shí)也用μbar，即微巴做單位，1Pa=10μbar。我們聽到的最弱的聲音聲壓為2×10?5Pa，即0.000 02Pa，最強(qiáng)的聲音的聲壓為20Pa。

聲功率（W）是指聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射出的總聲能，它表示聲源發(fā)聲能力的大小，以W（瓦）、mW（毫瓦）或μW（微瓦）為單位（1W=1 000mW=1 000 000μW）。

聲強(qiáng)（I）是指在單位面積上通過多少瓦的聲能，單位是W/m2（瓦/米2）。

聲強(qiáng)和聲功率通常不易直接測量，往往要根據(jù)測出的聲壓通過換算來求得。聲強(qiáng)和聲壓都是表示聲音大小的量，但兩者是有區(qū)別的，聲強(qiáng)是能量關(guān)系，而聲壓是壓強(qiáng)關(guān)系。為了計(jì)算上的方便，同時(shí)也符合人耳聽覺分辨能力的靈敏度要求，人們將最弱的聲音（2×10?5Pa）到最強(qiáng)的聲音（20Pa），按對(duì)數(shù)方式分成等級(jí)，以此作為衡量聲音大小的常用量，這就是聲壓級(jí)，其單位稱為dB（分貝）。聲壓p的聲壓級(jí)為

式中，p0=2×10?5Pa，為基準(zhǔn)聲壓。聲信號(hào)和電信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)弱，例如聲壓和電壓、聲功率和電功率的放大（增益）或減小（衰減）的量都可用dB為單位來表示。分貝的概念在錄音技術(shù)上是很重要的，在調(diào)音技術(shù)中，在調(diào)音臺(tái)和傳聲器的匹配、傳聲器的選擇應(yīng)用、聲源的處理等方面都常用到它。這里姑且將這類以分貝為單位的量值稱為“分貝值”。

在計(jì)算給定電壓、電流或電功率等電學(xué)量和聲壓、聲強(qiáng)、聲功率等聲學(xué)量的分貝值時(shí)，通常都要指定該量的一個(gè)數(shù)值作為基準(zhǔn)值，再將給定量數(shù)值與基準(zhǔn)值相比，比值取常用對(duì)數(shù)后乘以10（電功率、聲功率、聲強(qiáng)時(shí)），或乘以20（聲壓、電壓、電流時(shí)），即得到相應(yīng)的分貝值，它們分別稱為電壓電平（Bu）、電流電平（Bi）、功率電平（BP）和聲壓級(jí)（Lp）、聲強(qiáng)級(jí)（LI）、聲功率級(jí)（LP），計(jì)算公式如下：

其中，電壓電平通常簡稱為電平。電功率比或電壓比（電流比）與分貝值的換算關(guān)系可由表1-1查得。

兩個(gè)電學(xué)量或兩個(gè)聲學(xué)量的分貝值的計(jì)算方法如表1-2所示。

現(xiàn)舉例如下。

例1：電壓放大為100倍（即電壓比為100∶1），改用分貝表示，就等于（20lg 100）dB=40dB。

例2：功率放大為1 000倍（即功率比為1 000∶1），改用分貝表示，就等于（10lg1 000）dB=30dB。

如果需要表示的量小于與其相比的量（即比值小于1時(shí)），則分貝值為負(fù)。

例3：電壓比為1∶10（即衰減到原來的1/10），改用分貝表示，就等于（）dB=- 20dB。

國際上統(tǒng)一規(guī)定了下列基準(zhǔn)值：基準(zhǔn)聲壓=2×10?5Pa，基準(zhǔn)聲強(qiáng)=10?12W/m2，基準(zhǔn)電功率=1mW，基準(zhǔn)電壓=0.775V，基準(zhǔn)聲功率=10?12W，基準(zhǔn)電流=1.29mA。

1.2.2 聲頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍

雖然空氣振動(dòng)所產(chǎn)生的聲音強(qiáng)度的最大值與最小值的差值（分貝值），即動(dòng)態(tài)范圍是很大的，但由于受人耳的生理特性所限制，可聽聲音的動(dòng)態(tài)范圍并不大。可聽聲波波長范圍為17mm～17m，波長17m（即頻率為20Hz）的聲音是人耳能聽見的最低頻聲音。可聽聲的聲壓范圍為2×10?5～20Pa，對(duì)1kHz聲音通常以聽覺下限2×10?5Pa為0dB，這時(shí)聽覺上限可達(dá)120dB，即聽覺上限為下限的106倍。然而，這些生理上對(duì)聲壓感受的上下限，并不是廣播和電視專業(yè)中所選擇的上下限。因120dB已達(dá)痛閾，故上限選在110dB以下；又由于噪聲的原因，下限也不能選在0dB，它與錄音的環(huán)境噪聲有關(guān)，錄音室的噪聲一般規(guī)定不超過30dB。同時(shí)，最小聲音信號(hào)應(yīng)高于噪聲電平10dB，這就是說，在廣播或電視專業(yè)中，聲音信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為110 – （30 + 10） = 70dB，或者說聲音信號(hào)的變化范圍大約為3 000倍。顯然，它比人耳106倍的正常聽覺范圍要小得多，而實(shí)際聲源的動(dòng)態(tài)范圍，如語言為40～50dB，音樂約90dB，音響效果約100dB或更大一些，特別是后兩者的動(dòng)態(tài)范圍都和聽覺范圍相接近。這就出現(xiàn)了可用聲頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍與實(shí)際聲源的動(dòng)態(tài)范圍的巨大差別，這種差別使聲音的“層次”級(jí)數(shù)減少，降低了重放聲音的質(zhì)量。以往聲頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍只使用到70dB，比實(shí)際聲源的動(dòng)態(tài)范圍110dB低得多，這樣就限制了還原聲音的質(zhì)量。目前激光唱機(jī)等數(shù)字設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍已超過90dB。

1.2.3 不同聲源的頻率范圍

頻率范圍和頻率響應(yīng)特性是錄、放音系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，它直接關(guān)系到錄音和放音的質(zhì)量。從高保真錄、放技術(shù)發(fā)展情況來看，頻率范圍不斷地向高低兩端擴(kuò)展，目前有10oct （倍頻程）之多，這樣就能夠完全滿足錄、放各種不同聲源頻率范圍的需要。

人的聽覺是人們對(duì)聲音的一種主觀反應(yīng)或主觀感覺。我們要學(xué)會(huì)通過聽覺來判斷和評(píng)價(jià)錄、放音設(shè)備頻率響應(yīng)特性的優(yōu)劣；要學(xué)會(huì)根據(jù)不同聲源頻率范圍來選用最適合的傳聲器，以獲取理想的錄音和擴(kuò)聲效果。除此之外，我們還要掌握好調(diào)音臺(tái)所提供的各種技術(shù)補(bǔ)償手段，如高、中、低音調(diào)調(diào)節(jié)器，高、低通濾波器，多頻率補(bǔ)償器等。

為此，我們必須對(duì)一般聲源頻率范圍有一個(gè)基本的了解。語言的頻率范圍比較窄，男聲頻率較低，平均基本頻率約為150Hz；女聲頻率較高，平均基本頻率約為230Hz。對(duì)于歌唱家，男低音的基本頻率可低到60Hz左右，女高音的基本頻率可高達(dá)1 000Hz左右。音樂的頻率范圍比語言要寬得多，為40～16 000Hz。各種樂器由于構(gòu)造不同，演奏方法不同，它們之間的頻率范圍差別也很大。樂器的泛音（諧波）成分和結(jié)構(gòu)比語言要復(fù)雜得多，所以音樂的音色才能呈現(xiàn)得豐富多彩。

下面是管弦樂隊(duì)的幾種常用樂器和男、女聲歌聲的基本頻率范圍：