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标  题: 声音的基本特性
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年03月03日15:35:38 星期天), 站内信件

 
声音的基本特性
　
  简单地说，声音是由于物体的振动产生了波；波，通过一定的传播媒界（往往是空气，
也可以是水或木头）到达我们的耳朵；然后再由我们的大脑解释所产生的。声音有三个基
本的特性：音高、音量和音质。
    我们常用赫兹（Hz）来描述频率。这是为了纪念十九世纪的物理学家Heinrich Rudol
f Hertz而命名的。一赫兹表示每秒重复一次。音高是我们大脑对声音频率的主观感觉，频
率越高就觉得声音越高；反之，频率越低就觉得声音越低。听力好的人（注：听力好的人
往往是孩童，成年人会随着年龄的增加而听力衰退；当然，受过训练的人比没有受过训练
的人听力要好）可以听到的频率范围是20Hz至20kHz，成年人一般只能听到17kHz甚至更低
。高于20kHz的声音称为超声波（Ultrasound）；低于20Hz的声音称为亚声波（Infrasoun
d），这些声音都是人类所听不到的。
    理论上讲，声音的强度（即通常所说的音量）是由声波的振幅决定的。但是，由于音
量这个概念，是声音通过我们大脑的解释所形成的，所以有很大的主观性。心里声学的研
究表明，相同振幅但频率不同的两种声音，听起来可以有不同的音量水平。比如说，音较
高的声音听起来往往比同振幅的音较低的声音响。我们常用分贝（dB）来描述声音的强度
，这是为了纪念Alexander Graham Bell而命名的。分贝，是用对数来衡量的，每增加10d
B可以让声音听起来响亮两倍。通常，我们的听力范围是可以从0dB至120dB（通常称作听阀
或痛苦阀）。
    通常，我们可以轻而易举的分辨出钢琴与小提琴的声音，即使它们的音高和音量都一
样。这说明，声音除了音高和音量，还有其他特性。在下图中，我们可以看到，两个声波
具有相同的音高，即频率相同；且具有相同的振幅，即音量一样，但声波的波形却不一样
。正是这波形的“样子”决定了不同的乐器有不同的音质。这里举所的，是两种最简单的
波形（正弦波和锯齿波），而实际上的乐器声音往往复杂得多。举例来说，当你拨弄一根
尼龙吉它的琴弦，整根琴弦将会作振动（严格地说是一种阻尼振动），显然这种振动有一
定的周期性（用肉眼即可粗略观察到）并有一定的音高（频率）。照理说，该琴弦所产生
的波形应该是形状比较简单、振幅逐渐减小的（因为能量传递到空气中去）样子。而事实
上并非如此。物理声学告诉我们，当弦在作一个单位的振动时，在弦长的二分之一、三分
之一、四分之一、五分之一等位置同样也产生振动，而这些振动的振幅很小，肉眼很难觉
察得到。所以说，吉它的弦是由多种不同频率的简单的波形组成的，这些简单的波形叠加
起来，便成了一条十分复杂的波形。由于整条弦的振动所产生的能量最大，所以，它的频
率决定了整条琴弦所产生的声音的音高（而其他频率的振动所产生的能量，不足以引起我
们的注意）。这个音我们称之为基音。其他振动所产生的音称为泛音或和声，它们是基音
的整数倍。再深入一点说，上面所说的“简单波形”，实际上就是正弦波形。而不同频率
不同振幅的正弦波形结合在一起，便形成了某种乐器所特有的音色。所以说，音质是每种
乐器所产生的独特和声内容的结果。在这里，我们不但可以知道，复杂的波形为什么具有
不规则的形状。而且，我们可以知道，一个复杂的波形可以分解为若干个简单的正弦波形
。这样一过程，我们称之为Fourier分析。它以法国数学家Jean Baptiste Joseph Fourie
r命名。当然，该过程是经过严格证明的。顺便提一下，关于泛音是基音的整数倍这一结论
，在物理上也是有严格证明的（我们所举的例子只是为了方便大家理解，而并非证明）。
理论上讲，泛音可以向上无限延伸；离基音越远能量越小。
    最后，还想简单说一下人耳对声音定位的问题。这个问题涉及到有关心理声学（Psyc
ho-acoustics）方面的知识。心理声学是研究人们如何理解声音的一门科学。因为人脑毕
竟不是什么精确的测量仪器，声音在人脑中的反映会与真实情况有所差异。利用这些人脑
的错觉往往可以制作出一些令人惊讶的效果来。像三维音响（3D Audio）便是其中的一个
应用。不仅可以像立体声（Stereo）那样模拟出左右不同深度的声音，而且还能模拟出上
下前后各种方向的深度。Creative的声霸卡就采用了类似的称作Qsound的增强定位音响效
果，大家可以一听为快。
    心理声学的研究表明，有四个因素决定我们是如何定位声音的。前两个因素是耳朵听
到声音的时间和强度的差别，即对同一声源左右耳朵听到先后顺序和振幅的差别；第三个
因素，是我们左右耳朵的外耳形状对于声源反射的不同；最后一个因素，是所谓“头部屏
蔽（Head Shadowing）”现象，即其中一个耳朵由于头部的遮挡而听不到直接的声音，而
只能从其反射波来感知。由于以上所有因素结合在一起，使我们能够确定出声音的位置。

　  
 

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         **                                                                     
         **          我希望我的冤屈能像这满地闪烁的白雪                         
       ******                                                                   
         **                可是这雪并非降在八月                                 
                                                                                 

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