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音響學基礎知識一 聲音的產生與傳播

發布時間:2015-01-06 12:04 來源:未知 閱讀: 我要投稿

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       對于影音行業的從業人員來說,需要為消費者提供專業、系統的視聽解決方案,這就要求我們除了需要懂得音律以及聲音的基礎知識、各種樂器的聲學原理、聲樂和語音的基礎知識之外,在實際音響工程中還要掌握更多的技能,如噪聲的評價和基本控制方法、室內聲學的基本原理、基本的主觀音質評價術語和科學的主觀音質評價方法等等。
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      同時,不少影音愛好者及發燒友也同樣希望能夠了解此類內容。因此,“影音新生活”開設特別專題,綜合全面地介紹音響學基礎知識,幫助大家更方便地了解聲學及音響技術。
只要不是自幼失聰者,對聲音都會有一個具體概念。但就大多數人來說,聲音的物理特性卻是陌生的。下面就為大家簡單講解一下聲音是如何產生和傳播的。

▌ 振動與頻率
物體在外力影響下,沿著直線或曲線并經過其平衡位置所作的往返運動,稱為振動。振動體往返振動一次,稱作一個全振動過程。振動體在毎秒鐘完成的全振動次數,稱為頻率,常用單位稱為赫茲,簡稱赫(Hz)。10次/秒即l0Hz,1000次/秒即1KHz。頻率的高低決定于振助的快慢,每秒鐘振動的次數越多,頻率越高,反之亦然。我們日常所習慣的“高頻音”、“低頻音”的稱呼,是個相對的概念。高頻大約為1kHz以上的聲音,低頻大約為440Hz以下的聲音。

▌ 聲波與波速
物體的振動,會以一定的速度在媒介質(如固體、氣體、液體)內傳播開來。這種傳播過程,稱為聲波擴散。聲波傳播速度因媒介質密度不同而異。例如在15℃的空氣中聲音的速度每秒鐘344m(米),在水中每秒鐘l437m,在顱骨中每秒鐘3013m。

▌ 振幅與衰減振動
物體在振動過程中偏離平衡位置時的最大值,稱為振幅。振幅的大小決定于使物體振動的外力。在彈性限度內,外力越大,振幅也越大。物體在振動過程中,因克服磨擦和自身彈性所產生的阻力,造成能量損失,而使振幅隨時間逐漸減小直至消失,這是振動的衰減現象。絕大多數物質的振動都存在衰減現象,只有在能量得到補充的情況下,振動才能持續。聲音的大小同振幅的大小有關。

▌ 振動曲線、正弦波、波長
用圖形的方法來描述振動或波動狀態的圖像,稱為振動曲線或波動曲線。在現代條件下,這種曲線通常使用儀器來獲得。
振動曲線如果隨時間按三角函數正弦的規律變化的,稱為簡諧振動,其波形為正弦波。正弦波是一切振動中最基本的波型,輕輕敲擊音叉時產生的振動,就屬于這種類型。
\正弦波凸起的最高點,稱作波峰;凹下去的最低點,稱作波谷。圖中橫軸自左至右代表的傳播方向,波峰或波谷至橫軸之間的距離表示振幅。橫軸上從平衡位置出發每經過一次波一次波谷再回到平衡位置,代表波長。
不同頻率的聲波,其波長也不同,頻率越高,波長越短,頻率同波長的計算方式:V/f=h,其中:f=頻率,V=波速344m/s,h=波長,例如200Hz的波長為1.72m。波長不同對人耳辨別聲音位置影響很大。

▌ 位移、相位、相位差
振動體在振動過程中,或者媒介質在聲波傳播的過程中所發生的位置的移動,稱為位移。用來表示振動(波動)在某一時刻位移狀態的一個量稱為相位。這個量通常用角度來表示,稱為相位角,簡稱相。
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振動體處于平衡位置(即未發生振動時的位置)時,相位角一般處于0,如果是簡諧振動,當位移達到最大值時,相位角為90°或270°,相位相同之點,稱作同相點;相位相反之點,稱作反相點。例如兩個頻率一致的音叉,如果同時被擊會產生完全一致的振動,它們的聲波相位也完全一致。如果擊動的時間有先后,那么兩個音叉所產生的聲波就會出現相位差。上圖是兩個l000HZ的正弦波。這兩個正弦波在時間上相差1/4周期,當b波開始時,a波的振幅已達到最大值,當b波振幅達到最大值時,a波走到平衡位置。因此,兩波的相位差為90°
聲波的相位差對聽覺的響度感、方位感有重要影響。

▌ 受迫振動與共振
一件物體受到外力后發生振動,在外力突然消除后,由于物體自身內部的彈性作用而繼續進行振動,這種振動稱為自由振動,自由振動的頻率稱為固有頻率。A物體的自由振動,激起B物體也按A的頻率來振動,這時,B的振動稱為受迫振動,或稱強迫振動。例如在提琴上撥弦后琴弦自身按其固有頻率產生自由振動,當琴弦的自由振動通過琴馬傳輸給提琴的共鳴箱,引起共鳴箱按琴弦的頻率來振動,這時,共鳴箱的振動就是受迫振動。
實驗證明,自由振動的頻率如果同受迫振動體的固有頻率相一致或十分接近時,振幅(音量)會迅速達到它可能的最大值。這種現象叫做共振,又稱諧振,在聲學上就叫做共鳴。其音響稱共鳴音。當然,我們還要注意到:如果自由振動的頻率同受迫振動體的固有頻率很不一致,則振幅減小甚至失音。
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▌ 耦合
耦合是共振的另一種屬性。當兩個或兩個以上的振動體系通過共振作用而彼此聯合起來時,會產生出一種新的振動體系,這種物理現象稱為耦合,耦合是許多管樂器的發聲原理。例如雙簧管是依靠哨子的振動來發聲的,但單吹哨子時,不僅頻率不準確,而且音色也不美,然而當哨子同樂器的管身連接在一起時,音色馬上好聽起來。這就是因為哨子(簧振動)同共鳴管(空氣柱)振動發生耦合的緣故。結合音效應也是耦合的一種類型。在一定條件下,兩個不同頻率的合成波的迭加(例如樂器合奏),會出現第三個不同頻率的聲音。此外,自然沉音的產生,亦同耦合現象有關。
在聽音過程中,人耳亦會產生耦合的現象,對生理和心理會產生影響。

▌ 波的合成
兩個或多個波重疊在一起時,稱作迭加,迭加后形成新的波稱為合成波。多個不同頻率、不同相位、不同振幅的波的迭加,可以產生很復雜的合成現象。
\列舉三種最簡單的合成波現象,如上圖,迭加前的波用實線表示,合成波用點線表示。圖中甲:a波與b振幅不同,相位相同,迭加后聲音加強。乙:a波與b波振幅不同,相位相反,迭加后聲音減弱。丙:a波與b波振幅相同相位相反,迭加后聲音抵消。
波的迭加在音色、音量及結合音的心理感覺方面,均起關鍵作用。

▌ 拍音
如果兩個波的頻率不同但相近,合成后的振幅就會發生周期性改變的現象,稱為拍。由聲波合成后所出現的拍的音響,稱為拍音。圖13-4是A、 B兩波及合成后的波型。圖中 A+B合成后振幅毎秒鐘的周期變化次數稱為拍頻,它等于兩波頻率的差。
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如圖所示,若A波為50Hz,B波為40Hz,合成后50—40=10(Hz), 拍頻為l0Hz/s。 拍頻是兩個波互相干涉的現象。拍音現象常用來給樂器(如鋼琴)調音:當樂器兩個音頻率有微小差別時會聽到拍音,拍音消失時證明音高統一。此外,一些樂器(如口琴、手風琴、風琴等)則有意制造拍音現象,使發聲波動而達到美化音色的目的。

小結:掌握聲音傳播的基礎知識,能夠更好地幫助我們去了解音響產品、室內建筑的聲學特性,有利于打造優秀的視聽環境。

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