声学基础 (1,2节) 录音手册-第一章

    声音的形成及其传播

    1.什么是声音
    根据人对信号的感知，人耳听觉系统所能感受到的信号就是声音。
    声音是由物体振动产生的，但是人耳并不是所有的声音或者说所有的频率都能听的见，通常人耳能感知到的频率范围为10Hz----20KHz。
    首先，声音有它自己的形成方式，它的过程是先要对物体产生一个策动力，物体开始振动产生声波，再通过某种媒质传递到人的耳膜，最后送到大脑产生相应的感知。
    上图就是声音形成的条件。总结一下；
    （1）物体的振动
    （2）弹性媒质的传播
    （3）耳膜（鼓膜）的相应振动
    （4）大脑的感知
     2.声音的传播方式
    在媒质中，声音是以波的形式进行传递的，但声波在媒质传播时，媒质的质点并不随声波前进，它只在原地振动，传递出去的只是质点振动的状态。就象把以块石头投入水中，水波向外传递，但原位置的水只是在原地上下波动一样。这里应该提到的是声波在真空中不能传递的，我们平时在电影中看到的太空飞船在外太空中飞行的时候所产生的轰隆声是不存在的。
    波形传递的方式可以分为横波和纵波。
    横波：物质振动的方向与波振动的方向相垂直的波。如绳子的波动就为横波。
    纵波：物质振动的方向与波振动的方向相同的波。我们听到的声波就是纵波。
    波形的振动系统                                                    

    人耳在大自然中听到的声波并不是像我们在物理中学到那种简单的正弦波，大自然中的声音是由许许多多的简单波组成的一种复合波，简单波除了我们说到的正弦波以外还有方型波，三角波，锯齿波等。
    人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声域。在人耳的声域范围内，声音听觉心理的主观感受主要有响度、音高、音色等特征和掩蔽效应、高频定位等特性。其中响度、音高、音色可以在主观上用来描述具有振幅、频率和相位三个物理量的任何复杂的声音，故又称为声音“三要素”；而在多种音源场合，人耳掩蔽效应等特性更重要，它是声学的基础。下面简单介绍一下以上问题。
    1.振幅
    物体或物理量运动时离开平衡位置的最大距离称为“振幅” 单位是“m”米，用“A”来表示（Amplitude) ，因此声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。而它在人耳听觉中影响的是响度的大小。
    2.周期
    振动物体从开始位置起，回复到初始位置，即往复振动完成一次。也就是说，从任何时刻开始，经过了一个周期，振动有完全相同的状态。它的单位是“s”秒，用“T”(period)来表示。
    3.频率
    一秒内完成全振动的次数叫做频率，单位是“Hz”用“F”来表示。而它在人耳听觉中影响到音高，也就是说频率越高音高也就越高，反之。在国际上把440Hz定为标准音“A”。
    通过上图可以看出周期和频率存在反比的关系，用数学公式表示为F=1/T。
    下图为音高与频率的关系。
    4.相位
    相位是说明其声波在周期运动中，各个时刻振动所处的状态，通常用圆周的度数来衡量。单位是“度”用“Φ”相位（Phase)或相位角(Phase Angle)来表示。
    5.波长与声速
    振动要传播，才能成为波。因此，波比振动要更为复杂些，有四个要素，除了振动的三个要素即上面讲过的振幅，相位，频率外，还有一个波的传播速度，也就是波长。
    波在振动一个周期内传播的距离叫做波长。也可以这样解释；声音在传播途径上，相位相同的两个不相邻点之间的距离。单位是“m”米，用“λ”来表示。
    声速是声波在媒质中每秒钟传播的距离叫做声波传播的速度。单位是“m/s”米每秒，用“C"来表示，有时候也用波速“υ”来表示（v在这里是波的传播速度，与振动质点的运动是两码事，不要混淆）。另外需要注意的的是声速的大小与振动无关，而与媒质的材质，密度和温度有关。
    例如：
    水中 1450 m/s               木材 3320 m/s                钢 4900m/s
    酒精 1230m/s                 玻璃 5560m/s                铝 5160m/s
    如室内温度为14℃ ～ 15℃，则为340m/s。所以在不作精确要求时，我们常把空气中的声速以340m/s来计算。
    声速（C）=波长（λ） × 频率（F）
    根据周期的计算公式又可推导为；
    声速（C）=波长（λ）/  周期（T）