声音的原理与特性

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所属分类:音频杂谈

[转载]声音的原理与特性

声音是一种压力波:当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时,他们的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动,使周围的空气产生疏密变化,形成疏密相间的纵波,这就产生了声波,这种现象会一直延续到振动消失为止。

声音作为波的一种,频率和振幅就成了描述波的重要属性,频率的大小与我们通常所说的音高对应,而振幅影响声音的大小。声音可以被分解为不同频率不同强度正弦波的叠加。这种变换(或分解)的过程,称为傅立叶变换(Fourier Transform)。

因此,一般的声音总是包含一定的频率范围。人耳可以听到的声音的频率范围在20到2万赫兹之间。高于这个范围的波动称为超声波,而低于这一范围的称为次声波。狗和蝙蝠等动物可以听得到高达16万赫兹的声音。鲸和大象则可以产生频率在15到35赫兹范围内的声音。

特性

(一)响度(loudness):人主观上感觉声音的大小(俗称音量),由“振幅”(amplitude)和人离声源的距离决定,振幅越大响度越大,人和声源的距离越小,响度越大。(单位:分贝dB)

(二)音调(pitch):声音的高低(高音、低音),由“频率”(frequency)决定,频率越高音调越高(频率单位Hz(hertz),赫兹[/url,人耳听觉范围20~20000Hz。20Hz以下称为次声波,20000Hz以上称为超声波)例如,低音端的声音或更高的声音,如细弦声。

频率是每秒经过一给定点的声波数量,它的测量单位为赫兹,是以海因里希·鲁道夫·赫兹的名字命名的。此人设置了一张桌子,演示频率是如何与每秒的周期相关的。

1千赫或1000赫表示每秒经过一给定点的声波有1000个周期,1兆赫就是每秒钟有1,000,000个周期,等等。

(三)音色(Timbre):又称音品,波形决定了声音的音色。声音因不同物体材料的特性而具有不同特性,音色本身是一种抽象的东西,但波形是把这个抽象直观的表现。音色不同,波形则不同。典型的音色波形有方波,锯齿波,正弦波,脉冲波等。不同的音色,通过波形,完全可以分辨的。

(四)乐音:有规则的让人愉悦的声音。噪音:从物理学的角度看,由发声体作无规则振动时发出的声音;从环境保护角度看,凡是干扰人们正常工作、学习和休息的声音,以及对人们要听的声音起干扰作用的声音。

(五)音调,响度,音色是乐音的三个主要特征,人们就是根据他们来区分声音。

传播

声音在不同的介质中传播的速度也是不同的。声音的传播速度跟介质的反抗平衡力有关,反抗平衡力就是当物质的某个分子偏离其平衡位置时,其周围的分子就要把它挤回到平衡位置上,而反抗平衡力越大,声音就传播的越快。水的反抗平衡力要比空气的大,而铁的反抗平衡力又比水的大。

声音的传播也与温度有关,声音在热空气中的传播速度比在冷空气中的传播速度快。

声音在传播还与阻力有关,当大风的天气中,声音传播的速度就慢得多。

声音还会因外界物质的阻挡而发生折射,例如人面对群山呼喊,就可以听得到自己的回声。另一个以折射为例:晚上的声音传播的要比白天远,是因为白天声音在传播的过程中,遇到了上升的热空气,从而把声音快速折射到了空中;晚上冷空气下降,声音会沉着地表慢慢的传播,不容易发生折射。

单位

赫兹

赫兹是频率单位,记为Hz,指每秒钟周期性变化的次数。

分贝

分贝是用来表示声音强度的单位,记为dB。

返回声源

先从声源开始。用鼓槌捶击军鼓,鼓槌捶击在鼓头的穹形鼓皮上,鼓皮振动,振动的鼓皮然后就推动空气,产生从鼓头和鼓体发出并散开的压力波。因此,“压力波”从声源向外发出并散开。为了证明这一点,向公园内的池塘或家中的水槽内抛入一个石头,看看落入水中的物体产生的水波是如何从被干扰的波源散开的。另外注意,如果抛入水槽或象碗一样的封闭容器中,波纹/振动是如何碰到边缘、然后从壁上反弹回的。观察封闭容器内的波纹/水波,就给了你一些声音是如何在封闭的屋子里移动,从墙壁上反弹回的概念。另外注意,石头石块越大,产生波纹的间距就远远比小物体的要大。

声音重量

声音没有质量,也就是没有重量。声音不是物体,只是一个名称,声音是一种纵波,波是能量的传递形式,它有能量,所以能产生效果,但是它不同于光(电磁波),光有质量有能量有动量,声音在物理上只有压力,没有质量。

听见与听不见

正常人能够听见20Hz到20000Hz的声音,而老年人的高频声音减少到10000Hz(或可以低到6000Hz)左右。人们把频率高于20000Hz的声音称为超声波,低于20Hz的称为次声波。超声波(高于20000Hz)和正常声波(20Hz - 20000Hz)遇到障碍物后会向原传播方向的反方向传播,而部分次声波(低于20Hz)可以穿透障碍物,俄罗斯在北冰洋进行的核试验产生的次声波曾经环绕地球6圈。超低频率次声波比其他声波(10Hz以上的声波)更具对人的破坏力,一部分可引起人体血管破裂导致死亡,但是这类声波的产生条件极为苛刻,能让人遇上的几率很低。人的发声频率在100Hz(男低音)到10000Hz(女高音)范围内。

蝙蝠就能够听见频率高达120000赫兹的超声波,它发出的声波频率也可达到120000赫兹。蝙蝠发出的声音,频率通常在45000赫兹到90000赫范围内。狗能够听见高达50000赫兹的超声波,猫能够听见高达60000赫兹以上的超声波,但是狗和猫发出的声音,都在几十到几千赫兹的范围内。

蝴蝶翅膀扇动频率很小,每秒大约5次。所以我们一般听不到蝴蝶翅膀扇动的声音。

单个正弦波周期

“周期”表示一个波周期从0dB/静音至全部打开又返回的一个全周期。上面所示为正弦波的一个单周期。中线为0dB,即静音。波高为音量,从左至右为时间。“波长”为从左至右的峰—峰距离。

与用于广播或电视信号等,还有其它的一样,频率进一步分为VHF(甚高频)和UHF(超高频)。人在年轻时可以听到约20Hz到20,000Hz(20KHz)的频率范围,这是消费类CD的额定频率范围。人的听力从12岁以后开始下降,经常性处于声压级极大的情况下会导致我们听力的灵敏度下降。因此,声音具有音量/振幅和频率/音调,另外还有基于时间的声音结构。声音达到最大音量有多快,可持续多长时间以及声音消失直到听不到时需多长时间。所使用的最基本术语有:

(一)“上升”:声波从静音达到最大振幅或音量所需的时间。

(二)“衰变”:声波达到最大振幅/音量后消失为静音所需的时间。

声音的“音量-时间”形状特性叫作“振幅包络”。

简单包络:“ 上升”达到最大音量并不是立即完成的。声音然后缓缓地衰变。

将上述振幅/音量包络用正弦波表示的结果

声波的包络:在实际生活中,声音是混杂的,含有以不同振幅包络层迭的许多频率。

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