声音简介

声音简介

一， 声音的基本特征

1，声音的产生

声音是大气以某种连续的高调波，传递到人的耳内，引起耳朵内的耳膜振动，再由其他耳内的组织传递振动到基底膜，从而使得基底膜上的听觉细胞电位产生变化，不同频率的振动将引起不同位置的听觉细胞电位变化，最后这种电位变化传递给大脑，就产生了听觉，即听到了声音。

人直接说话，振动空气，使身边的人听见；打击乐器，乐器振动空气，直接使附近的听众听见。这种情况下，声音的源头直接振动空气，所以声音的频率特性，即随着频率的变化，声音在空气某个具体的位置产生的压强，音压，也产生变化的特性，能够很好很完善的传递给大气，从而使人最终听见。

声音的传播需要介质，在真空中不能传播。声波属于纵波。

2，声音的分类

1）由声音内容分类：

自然声：自然界发出的声音

乐器声：由乐器发出的声音

人声：由人发出的声音

噪声：上述以外，令人烦躁的声音

2）由声音频谱分类：

纯音：单一频率的声音

复音：由频率不同的一些纯音合成的声音

单音：由一个基音与它整数倍的谐音合成的声音

3）由声音的频率范围分类

次声：人耳听不到的低频率空气振动

可听声：在人耳能听到频率范围内的声音

超声：人耳听不到的高频率空气振动

4）由声音时间性分类

周期性声音，乐器声、人声等周期声音

非周期声音，噪声等无周期声音

脉冲性声音，持续时间短促的声音

3，声音三要素

◆音调

由成分音的频率最低的基音决定，单位是基音的单位Hz，另外还会包括各种谐音和不成倍数的非谐音组成。基音频率高，音调就高。

◆响度

由声压大小有效值来决定，它标称着我们听到声音的大小，是一个对数值，单位是方。声音频率不同，同等声压，我们听到的响度也不同。

◆音色

通常，音色由声音所包含的成分音数目和振幅大小不同而不同，一般表现为发声材料的不同。同样音调的钢琴声和小提琴听起来不同，是由于他们的音色不同。

二， 声音的物理特性

1，声音的频率

声音其实是经媒介传递的快速压力变化。当声音于空气中传递，大气压力会循环变化。每一秒内压力变化的次数叫做频率，量度单位是赫兹，Hz，其定义为每秒的周期数目。击鼓产生的频率远较吹哨子产生的频率低。

频率越高，声音的音调越高。

2，声压和声压级

声压是声音或噪声的另一个特性，强的噪音通常有较大的压力变化，弱的噪音压力则较小。压力和压力变化的量度单位为帕斯卡，缩写为Pa，其定义为牛顿每平方米，N/m2。

人类的耳朵能感应声压的范围很大。正常的人耳能够听到最微弱的声音叫做听觉阀，为20个微帕斯卡（20uPa）的压力变化，即20×10-6Pa。另一方面，非常噪吵的情况能产生很大的压力变化，例如一架太空穿梭机在发出最大马力时能在近距离产生大约2000Pa或2×10+9uPa的噪音。

如用帕斯卡，Pa，来表达声音或噪音，我们须处理小至20，大至2,000,000,000的数字。

明显的，如用微帕斯卡表达的常见声源或噪音源会颇为不便。较简单的做法是做一个对数标度（logarithmic scale）来表达声音或噪音的响亮度，即声压级。

声压级，通常缩写为SPL或者Lp，单位是分贝，dB。该标度以听觉阀，20uPa即20×10-6Pa作为参考声压值，并定义这个声压水平为0分贝。

用对数标度来表达声音和噪音还有另一优点：人类的听觉反应是基于声音的相对变化而非绝对的变化。对数标度正好能模仿人类耳朵对声音的反应。

计算公式：

(dB)

其中P0为20×10-6Pa

可以算出，声压每增加一倍，其声压级增加6dB；声压每增加10倍，声压级增加20dB。

下图表展示一些用微帕斯卡表达的常见声源或噪声源。

下面图表示声压和声压级的对应关系： 人耳可接受的声压级

声压级 声压 描述

0dB 2E-5 Pa 正常人能听到的最弱声音 听阀

20dB 2E-4 Pa 郊区静夜

40 2E-3 Pa 耳语

60dB 2E-2 Pa 相隔1米处讲话

80dB 0.2 Pa 交响乐/高声讲话

100dB 2 Pa 纺织车间

120dB 20 Pa 柴油机 痛阀

140dB 200 Pa 喷气机起飞

160dB 2000 Pa 导弹发射

180dB 20000Pa 核爆炸

3，声功率和声功率级

声功率，单位时间内通过垂直于声传播方向面积S的平均声能量就称为平均声功率，单位瓦特，W。它表示某一方向上的声波传播的强弱。

声功率级，SWL：

(dB)

W0=10 -12(W)

4，声强和声强级

声强，单位时间通过垂直于声传播方向单位面积的平均声波能量流。单位瓦特/米2，用I表示。I=W/S，即取单位面积的平均声功率，它与声音的传播速度成正比。声强是个矢量。

声强级，SIL：

(dB) I0=10 -12(W/m2)

4，声速

声音在介质中传播的速度为声速，单位m/s。其大小与介质、压强和温度有关。固体介质中的声速声速最大，液体次之，气体最小。空气中，理论上：

C，为声音在空气中传播的速度；

γ，为空气的比热比，且γ=1.402

P0，为大气静压强，且P0=1.013*10+5Pa(0℃)

ρ,为空气密度，且ρ=1.293Kg/m3(0℃)

不同温度下的声速：

C(t℃)=331.6+0.6t m/S

对于0℃,C=331.6m/s；对于20℃,C=344m/s。

5，波长

声音在传播过程中相邻的同相位的两点之间的距离称为波长。单位是m，λ

C=λ*f。

三， 声音的心里特性

1，人耳的听觉特性

人耳的听觉范围：20Hz~20KHz，20Hz以下称为次声波，20KHz以上的称为超声波，人耳对3000Hz左右的声音最敏感。

语音范围：300~3400Hz；音乐的频率范围：几十Hz到15KHz。

2，人耳对声音的感觉

人耳接受振动后，主观上的响度感觉跟强度的对数成正比。

在听觉方面，我们亦会倾向于把听到的声音归纳为不同的事物或做分类，以及使用分类的原则帮助我们从不同的声音中留意到我们感兴趣的声音。于是，我们可专注独特的噪音源，并从背景噪音中分辨出某些声响。

精密的人类耳朵不但可察觉到总体的声压级的变化，亦能够察觉声压级远低于背景噪音的声音，所谓的酒会效应，也就是人耳具备滤波器的功能。

此外还能辨别声音的音调、音色、方位等。

3，响度级和等响曲线

人耳的响应包含了神经、心里、生理等因素。详细的讨论属于心理声学的学科。我们现在只关心一下与声强级有关系的，人们通常说的“有多响”的问题：响度级和等响曲线。 声压大小这种直观的感觉如何用声学物理量来描述呢？

响度级：声压级可以描述，但人耳的听觉感应的响度除了跟声压级有关，也跟声音的频率有关。为了定量描述声音的响度，我们定义了一个标准，即1000Hz纯音，所有其它频率纯音与它比较，调节1000Hz，直到听起来跟所比较声音一样响，则1000Hz纯音的声音级就是该声音的响度级，单位为方。

等响曲线：一般人对不同频率的纯音感觉为同等响的响度级与频率的关系。如果测试点在外耳道，那么人耳对4KHz左右声音最为敏感，如果测试点在鼓膜处，人耳对1000Hz声音最敏感。等响曲线都是通过实验的来，是人的主观感受。

自由声场的纯音等响曲线，弗莱卡尔-门逊曲线，单位：方：

4，人耳的滤波器原理和还原

A加权声

正常的人耳能听到20Hz到20000Hz频率的声音，20Hz到20000Hz频率的范围叫做听觉频率范围。我们听到包含各种频率的声音，整个听觉频率范围可分为8个或24个频率带，分别称为倍频程或1/3倍频程。声音或噪音在不同的频率带可有不同的强度和声压级。

声音通常以一个声压级值来描述。方法就是将所有倍频程或1/3倍频程所占的部分加在一起，得出一个声音级。

人类耳朵对声音敏感度取决于声音的频率。对于2500Hz到3000Hz的声音，人类耳朵的反应最灵敏，而对低频率的声音，敏感度则较低。故此，将所有倍频程或1/3倍频程所占的部分加在一起，所得到的数值并不能有效反应人类耳朵对声音频率的非线性反应。

以上的讨论引出加权声级的概念。下图表述”A”加权声级标度：

以”A”加权升级度为例，在将地频率及高频率的声压级值加在一起之前，声压级值会根据公式减低。声压级值加在一起后得到数值的单位为分贝(A)。分贝(A)较常用是因为这个标度更能反映人类耳朵对频率的反应。量度声压级的仪器通常都附加权网络，以提供分贝(A)的读数。