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音响学基础知识一 声音的产生与传播

发布时间:2015-01-06 12:04 来源:未知 阅读: 我要投稿

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       对于影音行业的从业人员来说,需要为消费者提供专业、系统的视听解决方案,这就要求我们除了需要懂得音律以及声音的基础知识、各种乐器的声学原理、声乐和语音的基础知识之外,在实际音响工程中还要掌握更多的技能,如噪声的评价和基本控制方法、室内声学的基本原理、基本的主观音质评价术语和科学的主观音质评价方法等等。
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      同时,不少影音爱好者及发烧友也同样希望能够了解此类内容。因此,“影音新生活”开设特别专题,综合全面地介绍音响学基础知识,帮助大家更方便地了解声学及音响技术。
只要不是自幼失聪者,对声音都会有一个具体概念。但就大多数人来说,声音的物理特性却是陌生的。下面就为大家简单讲解一下声音是如何产生和传播的。

▌ 振动与频率
物体在外力影响下,沿着直线或曲线并经过其平衡位置所作的往返运动,称为振动。振动体往返振动一次,称作一个全振动过程。振动体在毎秒钟完成的全振动次数,称为频率,常用单位称为赫兹,简称赫(Hz)。10次/秒即l0Hz,1000次/秒即1KHz。频率的高低决定于振助的快慢,每秒钟振动的次数越多,频率越高,反之亦然。我们日常所习惯的“高频音”、“低频音”的称呼,是个相对的概念。高频大约为1kHz以上的声音,低频大约为440Hz以下的声音。

▌ 声波与波速
物体的振动,会以一定的速度在媒介质(如固体、气体、液体)内传播开来。这种传播过程,称为声波扩散。声波传播速度因媒介质密度不同而异。例如在15℃的空气中声音的速度每秒钟344m(米),在水中每秒钟l437m,在颅骨中每秒钟3013m。

▌ 振幅与衰减振动
物体在振动过程中偏离平衡位置时的最大值,称为振幅。振幅的大小决定于使物体振动的外力。在弹性限度内,外力越大,振幅也越大。物体在振动过程中,因克服磨擦和自身弹性所产生的阻力,造成能量损失,而使振幅随时间逐渐减小直至消失,这是振动的衰减现象。绝大多数物质的振动都存在衰减现象,只有在能量得到补充的情况下,振动才能持续。声音的大小同振幅的大小有关。

▌ 振动曲线、正弦波、波长
用图形的方法来描述振动或波动状态的图像,称为振动曲线或波动曲线。在现代条件下,这种曲线通常使用仪器来获得。
振动曲线如果随时间按三角函数正弦的规律变化的,称为简谐振动,其波形为正弦波。正弦波是一切振动中最基本的波型,轻轻敲击音叉时产生的振动,就属于这种类型。
\正弦波凸起的最高点,称作波峰;凹下去的最低点,称作波谷。图中横轴自左至右代表的传播方向,波峰或波谷至横轴之间的距离表示振幅。横轴上从平衡位置出发每经过一次波一次波谷再回到平衡位置,代表波长。
不同频率的声波,其波长也不同,频率越高,波长越短,频率同波长的计算方式:V/f=h,其中:f=频率,V=波速344m/s,h=波长,例如200Hz的波长为1.72m。波长不同对人耳辨别声音位置影响很大。

▌ 位移、相位、相位差
振动体在振动过程中,或者媒介质在声波传播的过程中所发生的位置的移动,称为位移。用来表示振动(波动)在某一时刻位移状态的一个量称为相位。这个量通常用角度来表示,称为相位角,简称相。
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振动体处于平衡位置(即未发生振动时的位置)时,相位角一般处于0,如果是简谐振动,当位移达到最大值时,相位角为90°或270°,相位相同之点,称作同相点;相位相反之点,称作反相点。例如两个频率一致的音叉,如果同时被击会产生完全一致的振动,它们的声波相位也完全一致。如果击动的时间有先后,那么两个音叉所产生的声波就会出现相位差。上图是两个l000HZ的正弦波。这两个正弦波在时间上相差1/4周期,当b波开始时,a波的振幅已达到最大值,当b波振幅达到最大值时,a波走到平衡位置。因此,两波的相位差为90°
声波的相位差对听觉的响度感、方位感有重要影响。

▌ 受迫振动与共振
一件物体受到外力后发生振动,在外力突然消除后,由于物体自身内部的弹性作用而继续进行振动,这种振动称为自由振动,自由振动的频率称为固有频率。A物体的自由振动,激起B物体也按A的频率来振动,这时,B的振动称为受迫振动,或称强迫振动。例如在提琴上拨弦后琴弦自身按其固有频率产生自由振动,当琴弦的自由振动通过琴马传输给提琴的共鸣箱,引起共鸣箱按琴弦的频率来振动,这时,共鸣箱的振动就是受迫振动。
实验证明,自由振动的频率如果同受迫振动体的固有频率相一致或十分接近时,振幅(音量)会迅速达到它可能的最大值。这种现象叫做共振,又称谐振,在声学上就叫做共鸣。其音响称共鸣音。当然,我们还要注意到:如果自由振动的频率同受迫振动体的固有频率很不一致,则振幅减小甚至失音。
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▌ 耦合
耦合是共振的另一种属性。当两个或两个以上的振动体系通过共振作用而彼此联合起来时,会产生出一种新的振动体系,这种物理现象称为耦合,耦合是许多管乐器的发声原理。例如双簧管是依靠哨子的振动来发声的,但单吹哨子时,不仅频率不准确,而且音色也不美,然而当哨子同乐器的管身连接在一起时,音色马上好听起来。这就是因为哨子(簧振动)同共鸣管(空气柱)振动发生耦合的缘故。结合音效应也是耦合的一种类型。在一定条件下,两个不同频率的合成波的迭加(例如乐器合奏),会出现第三个不同频率的声音。此外,自然沉音的产生,亦同耦合现象有关。
在听音过程中,人耳亦会产生耦合的现象,对生理和心理会产生影响。

▌ 波的合成
两个或多个波重叠在一起时,称作迭加,迭加后形成新的波称为合成波。多个不同频率、不同相位、不同振幅的波的迭加,可以产生很复杂的合成现象。
\列举三种最简单的合成波现象,如上图,迭加前的波用实线表示,合成波用点线表示。图中甲:a波与b振幅不同,相位相同,迭加后声音加强。乙:a波与b波振幅不同,相位相反,迭加后声音减弱。丙:a波与b波振幅相同相位相反,迭加后声音抵消。
波的迭加在音色、音量及结合音的心理感觉方面,均起关键作用。

▌ 拍音
如果两个波的频率不同但相近,合成后的振幅就会发生周期性改变的现象,称为拍。由声波合成后所出现的拍的音响,称为拍音。图13-4是A、 B两波及合成后的波型。图中 A+B合成后振幅毎秒钟的周期变化次数称为拍频,它等于两波频率的差。
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如图所示,若A波为50Hz,B波为40Hz,合成后50—40=10(Hz), 拍频为l0Hz/s。 拍频是两个波互相干涉的现象。拍音现象常用来给乐器(如钢琴)调音:当乐器两个音频率有微小差别时会听到拍音,拍音消失时证明音高统一。此外,一些乐器(如口琴、手风琴、风琴等)则有意制造拍音现象,使发声波动而达到美化音色的目的。

小结:掌握声音传播的基础知识,能够更好地帮助我们去了解音响产品、室内建筑的声学特性,有利于打造优秀的视听环境。

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