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音响学基础知识一 声音的产生与传播
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) y7 [; b( B. G8 g/ z7 }( o' ~ 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。2 Z8 |# T; l4 R" W
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。2 [2 M% m8 q3 |( S
4 o+ A' R4 C; `4 p; g# _" A; V▌ 振动与频率
/ G& f' i# v' g7 D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。, G" R1 B+ O; q+ w
3 s# p) P4 E+ ^▌ 声波与波速3 B5 j @7 t# n) S2 s2 n$ e
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。8 @9 h! a* d0 q e! x3 f' M
4 v3 U; p+ D* C% q7 v' C& x▌ 振幅与衰减振动
% [6 A5 [) M& c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。
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▌ 振动曲线、正弦波、波长
( {$ }( c+ F5 l5 x+ N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。
7 |) E4 i- Q0 Q9 G5 H9 r; r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。) w7 V# s& |7 g5 q
\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。( z2 r5 z3 ]: |4 J! K
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。
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7 w$ E1 N$ b8 P) g4 H: t▌ 位移、相位、相位差
$ U* I: k7 q A9 D6 ~" i( S3 _8 G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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; b( @/ s' |+ [6 ?1 M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°: p. o+ J9 Q3 R* D4 v$ \
声波的相位差对听觉的响度感、方位感有重要影响。
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▌ 受迫振动与共振
9 k( I5 Y8 I$ K& v( D3 L- v4 f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。& ]. u8 n0 `! k6 {
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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0 @# B$ D: M" C0 j9 M9 l/ W▌ 耦合+ ?0 b# {# P# L9 H8 R- G% k% {8 x
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。+ I) _6 j% y E. l1 ~& L
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。
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" q$ T0 S& U4 o* G▌ 波的合成3 P1 o; t0 i. g3 K2 a9 j
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。* s+ W( E! C9 J/ W- r" `9 X8 v
\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。
5 I! t% J j' p$ u8 x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。
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7 o5 c; |! c% ~4 o' u- d: x$ c▌ 拍音
- |- R2 H8 n0 V6 ]; x5 q- Y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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: F" F6 z, c/ I; l3 Q7 v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。3 `2 ?5 V; ]$ U X) o. R
' I( G4 w/ D+ B) a8 w- o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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发表于 2006-3-25 10:13:00
