1、声音初识声音初识A first glimpse of sound南京大学声学研究所 王新龙声是传统汉字“聲”之简写，从耳，意谓人耳能听闻者。声之产生或被感知，振动体和弹性媒质缺一不可。不妨设想弹性媒质是由极稠密、相互连接而又具有弹性的质点所构成的连续体。媒质质点乃物理抽象，概指宏观极小但微观又含大量分子的媒质微元。振动体驱使邻近媒质质点振动，振动的媒质质点藉媒质固有的弹性复使其邻近的质点振动，遂产生传之四方的振动扰动声。反之，置于媒质中的振动体（如人耳膜）受声的扰动而产生振动，从而感知声。产生声的振动体谓之声源，声产生的过程即声辐射；在不同场合，声源往往有别样的名称，例如，空中辐射音频声的扬声
2、器和喇叭，辐射超声波的换能器。感知声的振动体谓之接受器；接受器也有各种名称，如接受音频声的传声器，水下的水听器。声在媒质中以波动的形式存在，谓之声波。凡声波所经之处，媒质偏离原平衡态而发生状态的起伏，遂使媒质的压强（应力）、密度、温度等状态量发生交替变化，并各以波动的形式向四周传递。流体的压强扰动量称为声压。声压是描述声波的主要物理量之一。媒质质点之所以振动在于媒质的弹性，或者说，弹性是媒质传声之必要条件。衡量媒质弹性性能的是各种弹性系数，流体（气体和液体）中是（唯一的）体弹性系数。流体的弹性类于弹簧的弹性。弹簧的弹性涉及弹簧的压缩和伸长。同理，流体的弹性关乎流体的压缩和膨胀，故体弹性系数之倒
3、数是压缩系数，表征流体的可压缩性。可见，对流体而言，弹性和压缩性其实是一种物性的两种表述。以压缩膨胀形式而传播的声波是媒质疏密交替的机械波，质点振动方向始终与声波传播的方向一致，谓之纵波。固体与流体不同，还可存在无关乎压缩膨胀的切向弹性，也会引起固体质点的振动，但振动的方向与传播的方向垂直，极类似于绷紧弦的横向振动波，因此称此种波动形式为横波。外层空间除了依稀可见的遥远星球之外，空空如真空也，无有弹性，无限可压缩，不可能存在声波。刚体坚而不可压，焉能存在压缩膨胀的声扰动？空气压缩性极显着，是传声之良媒。经空气传声为人类（以及地球上无数动物）言语通讯的唯一载体，故最早为人所熟知。古人安知水下有声
4、？其实，水等液体的压缩性虽远不如气体，但仍足以支持声波的存在，因而水能传播声波水声。其实，水的传声性能岂其传光或传电磁波的性能可比哉！水声能传至数百、数千公里之外，而光或电磁波在水中仅能传播几十或上百米。故而，水声乃水下长距离通讯的唯一载体。海豚等海洋动物利用水声定位觅食，而声呐是人类进行水下长距离通讯的唯一设备。若无声呐，何来潜艇？无有水声，何以勘探海洋资源？固体（如地面、木质板块、各类金属）也可压缩，也是可传声之媒体。利用固体之声，可以探测隐藏于其中的奥秘，如地下宝藏，石油矿藏资源等。声传播的快慢以声速衡量。声速是媒质重要的声学参量，其值取决于传媒的弹性和密度。媒质弹性越好声速越快，密度越
5、大声速越慢。不同的媒质，其密度和弹性差异甚大，声速也相差甚大。例如，温度15的空气声速约每秒340米，而水声速可达每秒1500米，金属类固体则更大，达每秒数千米。声速类似于光速，但其大小根本不能与光速相比。雷鸣电闪其实发生在同一时刻，但人们先看到闪电，然后听到雷鸣，盖声速慢于光速之故也。根据爱因斯坦狭义相对论，天地万物不可能有超过真空光速的运动速度。但是，世间可以有超声速的运动存在，如超音速飞机，超音速子弹等。最牛的步枪子弹可以达到每秒千米，远快于空气声速。结果，受害者未闻枪声，已然中弹！在空间固定位置，媒质质点周而复始地振动，单位时间内的振动次数就是频率，单位赫兹（Hz）。因媒质质点振动与声
6、源振动同步之故，这个频率一般与声源振动的频率相同。人耳可听声大致在20赫兹到20000赫兹的频率范围内。不同年龄段或不同健康程度的人，听觉范围有所差异。对于听觉正常的成年人，其可听声的频率在3016000赫兹之间，而老年人则一般在5010000赫兹之间。人耳对频率的主观感受体现为声调的高低，谓之音调（tone）或音高。虽然如此，声音的强度及声音的长短也会影响人耳对音调的感觉。声音频率每增加一倍，音调升高八度，即一个倍频程。另一方面，在任一时刻，声波在空间呈峰谷交替状，交替的周期称为声波的波长。所以，频率度量声波时间振荡的快慢，波长则度量声波空间起伏的缓急。频率和波长互相联系，两者之积正好等于声
7、速。故而，同一频率的声波，其水中的波长要比空气的长四倍以上。振动体所辐射的声波，经空气以声速传至人耳，引起耳膜振动，遂使人听觉。人耳听觉的声音，或是赏心悦耳的谐和之音，或是令人烦恼的噪乱之声。单频之声（单音）为纯音。但通常所听到的，往往包含多种频率成份，称为复音。复音由分音构成，频率低者称为基音，频率为基音整数倍者，称为谐音。凡频率比基音高的分音统称泛音。泛音频率未必为基音之整数倍，故未必是谐音。两个同时发出的单音（纯音），同时传至人耳产生合成效果，人耳所听到的，或悦耳和谐（和声），或刺耳难忍。若两音振动频率之比为较小的整数之比，如1:2、1:4，人耳听觉悦耳；若频率比为较大的整数比，如8:9
8、、8:15，听觉刺耳。此“简单即美”之理，最早为古希腊伟大的哲学家毕达哥拉斯认识。现代科学业已表明，声音的美学准则源于生物学的机理。乐器在发出基音的同时，总伴随有一系列泛音。不同乐器的泛音构成当然不同，所发出的同一个音的听觉感受也不同。此音色之谓也。音色是人耳对声音综合品质的独特感受。它与多种因素有关，但主要取决于声音的波形，而声音的波形则决定于所包含的泛音多寡及各自的相对强度，也即与声音的频谱结构密切相关。按照数学的傅里叶变换理论，任何一个声音都可以分解为若干频率成份之和。此声音的频率分布称为频谱。声波本质是媒质的状态扰动。扰动的起伏幅度越大，声音越响。流体中常用声压p描述声波的大小。声压p
9、是压强偏离静态之值，以帕（Pa）为单位计量。人耳听觉的声压范围很大，而且具有对数的响应特性，故声压常以对数计的声压级表示，SPL=20lg(pe/pr)，其中pe是声压的有效值，pr是参考声压值，取人耳刚能听到的1000赫兹声音的声压有效值200000帕。声压级的单位是分贝（dB）。基准0分贝就是人耳刚能听到1000赫兹声音的声压。声压增加一倍，声压级就增加6分贝。另一个计量声音大小的重要量是声强I，反映声波携带能量之大小。声强的对数表示称为声强级： SIL=10lg(Ie/Ir)，单位也是分贝，其中Ir是对应有效声压pr的声强，一般取Ir=10(-12)（瓦/平方米）。空气在常温下的声压级几
10、乎等于声强级：SPLSIL。窃窃私语的音量或许只有几分贝或十几分贝，而强烈的爆炸之声可达到100分贝以上。虽然声强是反映声音强弱程度的客观指标，但决定人耳主观感觉声音强弱的是响度（loudness）。响度虽然主要取决于声强，但也与声音的频率和波形有关。人耳对中频的音量变化比低频和高频的更为敏感。与声强级对应，响度用响度级表示。把1000赫兹声音的声强级作为响度级的参考，计量单位不是分贝，而是方（Phon）。例如，1000赫兹声音的声强级是60分贝，而另一个频率的声音尽管其声强级不是60分贝，但听起来与60分贝的1000赫兹声音一样响，则这个声音的响度级即60方。要达到响度相等的效果，不同频率的
11、声音与1000赫兹频率的声音相比所需要的声强级是不同的，如此构成给定响度下声强级与频率的关系曲线，称为等响曲线，如下图所示。由图可见，在围绕1000赫兹的中频范围内，等响度曲线相对比较低，说明人耳对中频响应敏感。在此范围之外两边的低频和高频，等响度曲线翘起，说明人耳对低频和高频声音的敏感度下降。尤其是，当低于20赫兹或高于2000赫兹时，即使声强很大，人耳也几乎听觉不到声音的存在。人耳能听到声音的最弱响度，称为听觉阈（图中虚线）；相反，人耳产生疼痛感的最高响度，称为痛觉阈。听觉阈和痛觉阈所构成的两条等响度曲线，为等响度曲线之上下限。等响度曲线图，横坐标频率（Hz），纵坐标声强级（dB）。图中每
12、条曲线对应一个数值标注的响度级单音数学上可用正弦（或余弦）时间函数表达，具有振幅和相位。相位用度（）表示。与其它波一样，声波相位变化一周为360。相位只有相对意义，不同声音之间的相位差才有实质意义。即使两个频率相同的正弦波声音，其间也可以存在相位差。同相声波指相位差为零的两列声波，它们互相增强；反之，反相声波相位差为180，它们互相减弱，甚至抵消。此种相位增强和相消效应即声的干涉现象。利用声干涉的相位相消效应，可以人工产生一个反相位的噪声来抵消业已存在的噪声，此乃噪声控制的有效途径之一有源噪声控制。若有两个不同声源发出同样的声音，在同一时间以同样强度到达时，声音呈现的方向大致在两个声源之间；如
13、其中之一延时535毫秒，则感觉声音似乎都来自未延时的声源；如延迟时间在3550毫秒间，则延时的声源可被识别出来，但其方向仍在未经延时的声源方向；只有延迟超过50毫秒时，第二声源才能象清晰的回声般听到。此现象就是哈斯效应。来自各方向的声音同时入耳，人耳却能在一定程度上辨别之。人耳对声源方向的判别，关乎人的听觉生理和心理因素。单耳就能决定声音的响度、音调和音色等属性。双耳是两个有一定间距的声接受器，构成组合声接受器。多接收器构成的声接受器阵列具有方向的感知能力指向性。双耳仅具有两维的指向性，即水平面内声音方向的定位能力，此即所谓的双耳效应。双耳效应之依据是声源发出的声音在达两耳时，因距离不等而存在
14、时差和强度差。人双耳间距约1618厘米，约为8001000赫兹声音的半波长。所以，对频率在8001000赫兹以上的声音，由于头部的遮蔽作用，两耳听到的声音就有强度差异。正是这种强度差奠定了双耳对声音的水平定位。而频率低于8001000赫兹的声音，双耳因间距小于半波长而定位能力下降。双耳效应只能解释水平方向上的声音定位，三维空间之定位则有赖于人耳的耳廓效应。人类听觉系统的频率响应为声源空间方位角的函数，即耳廓对来自不同方向的声波频谱进行不同的修正后，才由耳道传到鼓膜，大脑依据声音的频谱特性，就能辨别三维空间中的声源方向。所以，人类的耳廓对确定声音的空间方向起重要作用。声波在其传播过程中遇障碍物就
15、会改变其行进方向。只要障碍物的尺寸（如水面、墙壁等）远大于声波的波长，障碍物就反射声波。空谷回声就是声的反射效果。多次的反射会引起一连串的回声。回声是时间上清晰可辨的反射声。但如果声波波长与障碍物的尺寸相当，则部分声波能绕过障碍物的边缘而继续向前传播，称为声绕射或衍射。对于波长大于障碍物尺寸（如空中雾滴、水中气泡等）的长波（低频）声波，大部分声波能量绕过障碍物，只有小部分偏离原传播方向，导致原方向上声能的损失。此种小障碍物对声波的作用称为散射。如果波长远长于障碍物尺寸，如空中雾滴，水中悬浮颗粒等，散射的强度与频率（波长）的四次方成正比（反比），此声瑞利散射是也。亦存在光瑞利散射，可以解释蓝天红
16、霞。反射和散射现象被广泛地应用于声波探测设备，回声定位仪、声呐、鱼探仪、临床诊断的超声B超等设备无不依据声波的反射和散射原理。反射是声波在界面上的最常见行为。反射使部分声能返回，另一部分则透过界面而而成为透射波。反射和透射波的多寡取决于界面两侧媒质声学性质的差异。衡量媒质声学性质是声速与密度之积，谓之声阻抗率。声阻抗率相差愈大，反射愈强，透射愈弱。近乎刚性的界面几乎反射全部的声波。若声波斜入射，则反射透射还依赖于声波的入射角入射方向与界面法向之夹角，且透射声波的方向（折射角）异于入射方向，此折射之谓也。与光正好相反，当声从稀疏的媒质（如空气）向密实的媒质（如水）入射时，因密实媒质的声速大于稀疏
17、媒质的，声的折射角大于入射角。所以，水中声波的折射角比空气的入射角大不少。当入射角大至约13时，水中折射的声波几乎平行水面；入射角大于此13临界角的声波悉数折回空中，此声全反射是也。反之，水下之声经水面透向空中，透声方向几乎垂直于水面约13的很小角度范围内，犹垂直射向空中。对于层状媒质如平板或墙，声波在前后两个界面上都发生反射与透射，总的反射和透声效果不但取决于层内外媒质声学性质之差异，还与层厚密切相关。若层厚恰是四分之一波长，反射最烈，透射最微，隔声效果最佳。混凝土的声速一般在4000米/秒之上，故1000赫兹声波的波长达4米，更低频的声波其波长更长。要利用1/4波长原理隔声，混凝土墙至少厚
18、1米。如此厚墙当然不切实际。事实上，诸如混凝土这类材料的隔声效果殆因材料密实之故，即其声特性阻抗率远大于空气的。如此密实之墙体，只要不是极薄，就可以达到满意的隔声效果。此类墙体的隔声服从所谓的质量作用定律：单位面积的质量增加一倍或频率提高一倍，隔声量提高6分贝。另一方面，如果层厚恰为层内声波波长的一半或其整数倍，则入射声悉数透射，是为半波共振透射。半波共振透射乃波动的普遍性质，非声学独有，但声学最早认识之并付诸应用。在半波共振下，声波无障碍地穿越隔层，似乎障碍不在。诚然，任何共振皆窄带性的，半波共振亦然。本质上，半波共振透射是声阻抗匹配的表现。与电路的阻抗匹配原理一样，声阻抗匹配乃声能高效传输
19、的机制，其应用可谓多矣。譬如，为扬声器或喇叭专门设计的锥形或指数弯曲形辐射口，其实就是为了达到阻抗匹配，从而使得音频声辐射的效率最优。超声换能器的振动辐射源大多是压电芯片，而压电芯片声阻抗率很高。欲使超声换能器用于临床诊断，必须设计匹配层，使得与人体的声阻抗率匹配，从而使得所辐射的超声波最大程度地透入人体内。房间是上下四周全部反射声波的封闭有限空间体。普通房间长宽高的尺寸在数个或数十个波长以上。声音在房内除了被空气和壁面吸收一部分之外就在上下四周壁面上不断地反射，同时被室内的人和其它小尺寸对象所散射，形成了混响。混响是声音相续反射的总体效果，这些相续反射之声的时间间隔如此之短，以致人耳不易清晰
20、辨别。房间越小，混响越显着。所以，小房间内说话，语言含混不清。反之，在极大的房间内，如大型室内体育馆，相续反射的声音其实已然回声，遂有余音缭绕之感。消声室绝不反射声，是绝对无混响的房间，是人造的万籁寂静世界。人置身于其间，连心跳也几乎能听到。久置身其间，有强烈的孤寂恐怖之感。完全封闭而墙壁又几不吸声的房间具有最强的混响效果，是为混响室。声音在混响室内久而不逝。适度的混响使得声音听起来饱满丰润，富有弹性，此正歌剧院和音乐厅之设计所要考虑者也。相反，过度的混响使得声音模糊不清，不利于言语交流。会议室、播音室的设计就要求尽量减小混响。封闭房间的声场由无数声波简正模式构成。每个简正模式有其固有频率。与
21、广为人知的弹簧振子的共振一样，当声波的频率等于某个模式的固有频率时，该模式就发生共振，房内声场响应极其显着。小房间共振效应尤其明显。诸如迪斯科舞厅等房间，则可以在设计时充分利用室内声共振原理，以达震颤之效。如果近乎封闭的空间很小，尺寸远小于波长，则该空间可视为具有一定声学弹性的腔体（cavity），类似于一个弹簧。如果存在合适的开口小管道，则这个“弹簧”会推动开口管道的空气柱振动，从而发出单音。此结构之最著名者即亥姆霍兹共鸣器，常被用于定音的目的。其实，类似的声学结构广泛存在于日常生活中；例如，水壶的啸叫，人耳贴近空水瓶口而听到嗡嗡之声。管道（如水管、地道等）乃受限的声传播空间，声波仅沿管轴方
22、向传播。可以说，管道引导声波向特定方向传播，管道因此被称为声波导，而其中传播的声波是一种导波。就能量传播方式而言，声波导与光纤波导全然一致。管道是高效的声能传输通道，声波的能量不扩散而仅沿一维的轴向传输，故而，管道之声可以传得很远。有天然的声管道，有人造的声管道，种类繁多，数不胜数。亦有不为人知的隐秘天然声管道焉。海洋下面隐藏有因海水温度密度变化天然形成的声道，水声在其内可播及数千公里之外。在空旷的原野，声音传至四方。随着距离的增大，有限的声能扩展到更大的空间范围，遂使远离话者的声音很弱，以致听不到。这是声向四周扩展而引起的声强衰减，是一种非损耗性的衰减，与离声源距离的平方成反比。另一种导致声
23、音衰减的因素是传媒本身的声吸收。声吸收是由媒质的黏性和导热等因素造成的。它把声波的机械运动能量转化为媒质的热能，故而是一种耗散性衰减。不同的媒质其吸收程度大不相同；例如，水吸收微弱，即是超声波其短距内的衰减也可忽略，但同为液体的血液的超声吸收就要强得多。声吸收之强弱极其依赖声波的频率；高频吸收强烈，低频吸收微弱。所以，地震引发的次声波的声吸收极弱，以致绕地球数圈还在。低频水声吸收很弱，可以传播数百乃至数千公里。传媒的吸收使得声波的强度随传播距离按指数规律衰减。此外，声散射使得声波携带的部分声能偏离原传播方向。对于原传播方向的接收器而言，散射也是一种能量衰减。况且，很多散射物（如气泡、水雾）不但散射声能，而且还强烈地吸收声能（转化为热能），引起额外的能量耗散。所有这些皆导致声能在传播过程中的损失传输损失。
