1.2 声波的特性

1.2.1 声速、频率、周期与波长

（1）声速

声波在传声介质中，每秒传播的距离称为声波的传播速度，简称声速，用符号c表示，单位是米/秒（m/s）。声音在不同的介质中传播速度是不同的，在标准大气压下，0℃的空气中，声音的速度是331.4m/s。空气的温度越高，声速越快，温度每增加1℃，声速增加0.607m/s。

声音在固体中传播的速度最快，其次是液体，再次是气体。如在水中一般是1450m/s；在钢铁中约为5000m/s。由此可见，声速决定于传声介质的性质，而与声源频率及强度无关。一般计算中，取声速c=340m/s。

声速与距离、时间的计算公式：t=D/c（t表示时间，D表示距离，c表示声速）

（2）频率

振动体每秒振动的次数称为频率，用符号ƒ表示，频率的单位是赫兹（HZ），简称赫。振动体每秒振动一次时表示为1 HZ=1（次/秒）。

发声体每秒振动次数越多，即频率越高，听音者感觉声音的音调越高，一般称之为声音尖锐。反之，频率低的声音音调低，听起来声音低沉。一般把频率为20~50HZ的声音称为超低音，50~150HZ的声音称为低音，150~500HZ的声音称为中低音，500~5000Hz的声音称为中高音，5000~20000Hz的声音称为高音。C调的“1”频率是256HZ，而高八度的“1”频率是512HZ。

（3）周期

振动体每振动一次即完成一次往复运动所需要的时间为周期，用符号T表示，单位是秒（s）。频率和周期的关系为

ƒ=1/T

（4）波长

物体或空气分子每完成一次往返运动或疏密相间的运动所经过的距离称为波长，用符号λ表示，单位是m。在一定的传声介质中，波长是由声波的频率决定的：频率高，波长短；频率低，波长长。根据频率、波长和声速的定义，三者之间有如下关系

λ＝c/ƒ

如常温下（15℃），在空气中的声波频率为100Hz时，波长为λ=c/ƒ=340/100=3.4（m）；在水中的声波频率为100Hz时，波长则为λ=c/ƒ=1450/100=14.5（m）。图1-2是频率与波长的关系。

1.2.2 振幅

声波的振幅和它的力度或强度有关，即我们听到的音量或响度。声音的响度在波形图中直观地表示为声波上下振动的高度，声音越大，响度就越高，振幅也就越大。如图1-3所示，当声音越来越响亮时，就会发生空气分子更大的压缩与膨胀现象，波峰将会更高，而波谷会更深。声音的幅度是一个确定的物理量，因此很容易被测量。但响度却不同，因为响度是一个主观概念，每个人对于同一个声音的响度感受是不同的。一个人觉得很响的声音，在另一个人看来却并没有那么响。度量振幅的单位是分贝（dB）。人耳对于声音振幅的细微变化十分敏感，且有着非常大的听觉范围。安静无声的状态，我们称之为0dB，比它响10倍的声音为10dB，响度超过100倍的为20dB，以此类推。单位分贝代表不同的声音音量的比率，测量的是声音的相对强度。人耳可以听到范围在0dB（听阈）到120dB（痛阈）之间的声音，接近和超过这个大小的声音，就会使人感到耳朵疼痛，并可能对听力造成损伤。实际上，任何高于85dB的声音，都有可能会导致听力下降，只不过取决于听者与声源的距离和他身处这种环境中的时间长短。摇滚音乐会整场的声音，都在120dB左右，这就解释了为什么在听完一场摇滚音乐会后一两天内会有余音绕梁的感觉。

1.2.3 声压与声压级

（1）对数的含义

对数运算只是数字表达形式的一种转换，没有其他含义。下面两个公式表示的是近乎相同的含义：

10y=X log10X=y

公式相对容易理解。随着y的增加，X呈10倍、10倍地增长。比如：

103=10×10×10=1000

对数运算可以让我们免去算术加法的繁琐计算。以10为底，X取1000，取对数后得3。

logl0（1000）=3

换种表达方式，公式可以回答下面的问题：“10的多少次幂是X呢？”以公式中的1000为例，“10的多少次幂是1000呢？”答案是3。103=1000，所以logl0（1000）=3。

10的多少次幂是1000000呢？很容易就知道答案是6。用公式log10（1000000）=6来计算也很容易。10的六次方是100万，再来算一下10的多少次幂等于100万亿：log10（100000000000000）=14。

这就是在音频领域中采用对数的目的，它可以让很大的数字——可能是非常非常大的数字变得很小：让100000000000000变成14。它能让像政府预算那么大的数字变成足球比赛中的分数那么小。

（2）声压

上面谈到物体振动带动周围媒质空气产生膨胀和压缩，所谓膨胀和压缩是相对于没有声波存在时的空气而言的。实际上，没有声波存在时空气本身存在静压力，就是大气压力。假定当地环境的大气压力接近标准大气压，一个标准大气压为101.3Pa，压力的计量单位是帕斯卡，符号为Pa。由于声波的存在，使空气中的压力变化，局部被压缩的空气的压力在原先静压力的基础上增大，局部膨胀了的空气压力在原先静压力的基础上减小了。所谓声压，就是由于声波的存在引起空气的压力在原先的静压力的基础上增大或减小的量的有效值，这个变化的量和静压力比起来是非常小的。声压的单位也可以是Pa。根据统计，人耳能听到的1kHz声音的最小声压为0.00002Pa（或者写成2×10－5pa），我们将此声压称为参考气压（P0）。当声压达到20Pa时我们已经觉得声音太大了，长期听这样的声音，让人受不了。当然，比20Pa更大的声音我们还能听，但是更难受。如果声压继续增大，可能对人耳产生永久性损伤。

（3）声压级

上面讲到人耳能听到最小声压和能忍受的最大声压相差很大，达到100万倍以上。实际上，人耳对声音响度的感觉与声压的对数关系更接近。为了讨论方便，人们又设置了声压级（SPL或Lp）这个参数来表示声压大小的等级，用对数表示，单位为分贝（dB）。

Lp=20log10P/Po=20lgP/Po

式中：P——被指定的声压，Pa；Po——参考声压，Pa

当P=Po时，Lp=20lg0.00002/0.00002=20x0=0dB，说明当指定的声压等于参考声压0.00002Pa时，其声压级为0dB，也就是说人耳刚刚能听到的1kHz声音的声压级为0dB。同理，当声压为1Pa时用声压级来表示就是94dB。

1.2.4 相位与相移

（1）相位

这一名词说明声波在其周期运动中所达到的精确位置。相位通常以圆周的度数来计算，因而360°就相当于一个完整的运动周期。沿着时间轴画出波动的图形，能清楚地说明相位关系。从图1-4中可以看出，任何一个波动的起始点离其相邻波的起始点恰好是360°。这就说明所有波峰都是互相同相。同样，所有波谷均相距360°。也就是说，它们也都是互相同相。而波峰与波谷之间则是互相反相，因为它们的相位差为180°。

这里有一个重要的问题需要弄清楚，就是同相的声音是相加的，并易于结合；而反相的声音则是相减的，并互相抵消。

（2）相移

相移指一个波形周期相对于另一个滞后或超前。从原理上看，相移产生两个（或更多）波形之间的时间差（产生时间差最普遍的原因就是声源的物理距离差）。比如，一个500Hz的声波的振动周期为0.002s。假如有两个500Hz声波，其中一个晚于另一个0.001s起振（半周期），延时的声波就滞后前一个声波半个周期或180°。另一种典型例子就是用两只话筒来拾取一个音源，两只话筒距单音源的距离不同，因此在将两只话筒拾取的信号混合时，就会产生相应的时间延时。同样，若只用一个话筒拾取单音源，那么同时拾取到直达声和近次反射声也会产生相移。若同频率信号之间的距离差等于信号波长，信号间的相位也是相同的，但若信号之间距离等于半波长的奇数倍，那么信号间就会产生反相。以上的这些情况，无论是幅值的增长还是抵消，都会改变信号拾取后的频率响应。无论有什么样的原因，由不同话筒拾取带来的，或者由直达声和反射声带来的声学缺陷都应该尽可能避免。

当一个信号开始从0度偏移并逐渐向180°过渡时，彼此之间的抵消会越来越严重。一旦达到180°相移，将会完全抵消，而当相移从180°逐渐向360°过渡时，彼此之间的抵消也会逐渐削弱，直到达到360°时抵消现象消失。此时，我们重新回到了0度相位，信号之间也再次处于完全同相状态。

牢记一点，当声音听上去不对劲的时候，相位抵消很可能是罪魁祸首。

1.2.5 音色与谐波

另一个声音的特性被称为音色，与声音的波形有着很大关系。音色是区别两个声音不同的重要参照属性，即使这两个声音可能具有相同的音量大小和音调高低。图1-5是一个正弦波，我们将这种声音称之为纯音。然而，自然界中的任何声音都要比图示中的这个声音复杂得多。当按下钢琴键盘上小字1组的A键时，我们所听到的乐音振动频率为440Hz，这个频率被称为基频。然而，所有声音的实际音色除了基频以外，还包含大量的其他频率成分。如图1-6所示，这些成分中，频率为基频整数倍的频率成分被称为谐频，而频率为基频非整数倍的频率成分被称为泛音。基频、谐频与泛音三者之间的相互作用，产生了自然界中千变万化的声音音色。

当两个声波叠加时，就会产生声学上的同相或反相现象。简单地说，当两个相同声波的波峰和波谷相应叠加，这两个声音就会成为一个振幅为原始声音两倍的声音。如果一个声音的波峰与另一个声音的波谷重合，而波谷与第二个声音的波峰重合，那么它们的相位差为180°，两个声音就会互相抵消或大幅度衰减。自然界中大多数的声音（如语言或音乐）都有可能存在叠加的现象，成为复合声波，但很少会出现绝对的180°相位差。

1.2.6 波形包络

声音的包络与声音的持续过程有关，描述的是声音在一段时间内音量的变化。如图1-7所示，一般情况下，声音的包络包括四个阶段：起音，达到最大音量所需的时间；衰减，声音从峰值音量到持续音量所需的时间；持续，声音保持的时间；释放，声音从持续音量到无声的时间。从本质上讲，衰减、持续和释放指的是声音消失所用的时间。短促的声音往往有着较快的起音时间和释放时间，如枪声或雷声等。而长按钢琴琴键时发出的声音，则具有较长的衰减、持续和释放的过程。音频设备必须能够如实地反映声音的包络特性。