声音与声波--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

声音与声波

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年7月13期作者：吴显显

[导读] 声音始于质点的振动。传播介质中的分子原子往复振动，推动着这种特定的振动规律向前传播；当这种振动形成的压力波的变化到达人耳时，会引起耳中的神经末梢振动，大脑将这些振动处理，这样我们就认为我们听到了声音。

南师附中秦淮科技高中吴显显 210034

摘要：声音始于质点的振动。传播介质中的分子原子往复振动，推动着这种特定的振动规律向前传播；当这种振动形成的压力波的变化到达人耳时，会引起耳中的神经末梢振动，大脑将这些振动处理，这样我们就认为我们听到了声音。声音在固体、液体、气体中传播，靠的是声波。声波的传播，以介质中的元素为传播媒介，介质内部互相作用下，声波传向远方。所以声音的特质蕴含着这种振动规律之中。声音的本质是振动，振动产生了波。声波的不同，决定了声音的不同。声音的三要素是：响度、音调、音色。声波振幅越大，声音的响度越大；声波频率越高，声音的音调越高；声波的波形则决定了声音的音色，不同的音色决定了声音“听起来”怎么样。本文从声音三要素的角度详细阐述了声波的特性，以期为有关声波的研究和应用提供理论基础。
关键词：声音；声波；响度；音调；音色
        1引言
        提起声音，我们所有人都不陌生。任何时刻，包括寂静的深夜，声音都会不断传输到我们的耳朵中的。如果不是在理想的实验环境中，绝对的无声环境是不存在的，我们生活在一个有声的世界中。并且，人类在很早以前，就对声音有了认识。在古代，人们就可以利用敲击物体不同的部位发出声音不同的原理，制造出旋律悠扬悦耳的乐器。比如，两千年前中国古人就发明了气势恢宏的编钟。而且，古人们还知道利用鼓声和锣声之间音色的不同来传递不同的军事信号。《荀子》中说：“闻鼓声而进，闻金声而退。”说的就是鼓声响的时候，士兵前进；铜锣响的时候，士兵撤退。这都是人们利用声音音调、音色的不同，制造出不同的信息。可以说，声音与我们人类的生活息息相关。但是有关声音的知识，我们却所知甚少。所以，本文研究声音现象，主要讨论现在科学对声音的认识。在第二章节，本文讨论声音是如何产生的，声音的本质，音色、音调、响度和噪声的概念等；在第三章节，我们讨论声音与函数的有趣的联系；第四章节，我们总结全文。
        2声音的本质
        声音始于空气质点的振动，如吉他弦、人的声带或扬声器产生的振动。这些振动一起推动邻近的空气分子，从而轻微增加空气压力。压力下的空气分子随后推动周围的空气分子，后者又推动下一组分子，依此类推。在这个过程中，空气中的分子往复振动，推动着这种规律向前传播；而不是空气中的分子传播到了前方。事实上，任何波动的传播，均不是质点的向前运动，而是质点造成的波的向前运动。高压区域穿过空气时，在后面留下低压区域。当这些压力波的变化到达人耳时，人耳将振动信号转化为神经信号，传输到大脑中的神经中枢，人们就可以听到声音。
声音在固体、液体、气体中传播，靠的是声波。声波的传播，以介质中的元素为传播媒介，介质内部互相作用下，声波传向远方。声音以声波的形式，通过空气传送到耳朵内，引起耳多鼓膜的振动，这种振动经由听小骨及其他组织传给听觉神经，听觉神经把信号传给大脑，大脑根据分析后得到听感，于是我们的大脑中就感觉听到了声音。所以，声音的特质蕴含着这种振动规律之中。
声音的本质是振动，振动产生了波。声波的不同，决定了声音的不同。周期性声波均能用周期函数来表达。声波函数的振幅、频率、波形都与声音的性质有关。声音的三要素是：响度、音调、音色。声波振幅越大，声音的响度越大；声波频率越高，声音音调越高；声波的波形则决定了声音的音色，不同的音色决定了声音“听起来”怎么样。
        2.1声音与声波波形的关系
        声波分为周期性声波和非周期性声波，最简单的周期声波是单频的声波，也称为纯音。它是由简谐振动产生的频率固定、按正弦变化的声波[1]。与单频音相对应的是复合声，复合声（也称为复声）是由一些频率不同的单频音组成，由傅立叶变换可知，可将任何复声分解成一系列单频音。所以，研究声音，可以从研究声波入手。
        2.2响度与分贝
        声音的响度主要由声波的振幅决定。振幅越大，响度越大；振幅越小，响度越小。表现在波形图上就是波形的幅度越大，声音的响度就越大；反之，波形的幅度越小，声音的响度就越小。日常生活中，经常见到声音分贝的说法。比如说早上的噪声是90分贝。分贝是衡量声音响度大小的单位。实际上，声音的响度可由声压衡量。声压的单位是帕斯卡（Pa）。人耳可以听到的声压范围为0.00002Pa（听阈）~20Pa（痛阈）。由于这两个数值间相差了非常多的数量级，因此用声压的绝对值大小表示声音响度是不方便的，我们一般通过声压级来衡量声音大小，单位是分贝（dB）。声压级以人类所能听到的最小响度声音的大小为基准值。以10为底数，以给定声压和基准声压的比值为帧数，求得的对数值乘以20，就是该给定声压的声压级。比如人耳的最小可听强度是0.00002Pa，它的声压级是。所以，0分贝并非指没有声音，而是通常人能听见的最微弱的声音。声音的分贝高的话也能听见，不过会对人体有害。，也就是说，声压每增大一倍，声压级比原来高6dB。冰箱工作产生的嗡嗡声，大概是40dB，换算成声压是0.002Pa。正常交谈的声音大概是60dB，换算成声压是0.02Pa。所以，60dB的声音相当于十个能产生40dB的声音源同时发出声音。
        2.3声音的音调
        声音的音调与声波的振动频率有关，频率越高，音调越高；频率越低，音调越低。如果把它表现在波形图上，就是在相同时间内，波形越密集，音调就越高；反之，波形越疏松，音调就越低。频率的单位是赫兹Hz，频率是振动次数和时间的比值，1Hz意味着每秒振动1次。人耳可听到的声波频率范围为20~20000Hz。频率低于20Hz的声波称为次声波，频率在20Hz~20kHz的声波称为可听波，频率20kHz~1GHz的声波称为超声波，频率大于1GHz的声波称为特超声。许多动物的听力范围远超人类，比如海豚、蝙蝠，他们常常能听到我们人类听不到的声音。
        人耳对声波频率的感知成对数关系，频率每上升为原先的10倍，人耳感知到的区别是相同的；也就是说，200Hz和2000Hz的差别，和2000Hz和20000Hz的差别，对人耳来说是相同的。在音乐中，这便是上升了一个“八度”。
        2.4声音的音色
        音色是人们区别具有同样响度、同样音调的两个声音之所以不同的特性，或者说是人耳对各种频率、各种强度的声波的综合反应。音色与声波的振动波形有关，或者说与声音的频谱结构有关。不同乐器间音色不同的原因在于它们声波的波形各不相同。当我们听小提琴和钢琴等乐器同奏一个曲子时，即使它们的音调相同、响度相同，但是我们还是能够直接把它们的声音区别开来。小提琴的声音悠扬，钢琴的声音雄浑。之所以有这样的区别，是因为各种乐器的发音材料和结构不同。它们发出同一个音调的声音时，声波并不是单一的，而是由基波和谐波叠加而成。虽然小提琴和钢琴弹奏同一曲子时基波相同，但谐波构成不同，因此产生的波形不同，从而造成音色不同[2]。
        2.5噪音
        我们所处的环境中，是很难达到绝对的没有声音的。因为周围的物体总是在振动，然后引起我们耳膜的振动。从物理学的角度看，乐音是物体有规则振动产生的声音，噪声是物体无规则振动产生的声音。生活中，一种声音是否为噪声，并不由声音本身决定，而是由我们的感受决定。当我们听音乐时，其他声音——比如空调工作的呜呜声——都可以被称为噪声；当我们需要安静时，传入我们耳朵的声音——即使是音乐声——都可以成为噪声。为了保护听力，应控制噪声不超过90分贝；为了保证工作和学习，最好不超过70分贝；为了保证休息和睡眠，最好噪音不超过50分贝。现在被很多人群起而攻之的广场舞，所制造的噪音大概在80-90分贝。并且，人耳的听力是随着年龄的增长逐渐下降的。所以在日常生活中，应当注意噪声对听力的影响。
我们都有这样的感觉：当我们在喧嚣的KTV时，和朋友说话需要很大声；但是当我们身处电影院，和朋友说话轻声就可以。所以说我们想要听到的声音，必须盖过周围环境的噪音，否则很难辨别出来。
        3.声音与函数
        振动规律，可以用声波描述，声波对应着数学上的函数。振动的本质，是振幅随着时间发生变化。所以，振动规律完全可以通过波形，用数学上的函数来描述。当然，由于振动的复杂性，一种声音可能不可以由单独的简单函数构成，需要很多不同函数的叠加。不过傅立叶级数告诉我们，所有的函数都可以分解成周期性函数的和[3]。所以所有的声音都可以通过最普通、最基本的声波合成。最普通最基本的声波就是简谐振动所产生的正弦波，而纯音指的则是以某个固定频率进行简谐振动所产生的声波。比如音叉，或者我们拿起座机电话听筒听到的声音就是一种近似的纯音。复合音则是由多个纯音组成的音。其产生是由于物体振动时引起不同部位的振动，如一根琴弦，当它在振动时就同时包含了琴弦的不同部位的振动：首先是整条弦的振动，然后还有二分之一、三分之一、四分之一等琴弦不同部位的振动，这些部分振动就产生了不同音高的音，这些音又是同时发响，于是就混合在一起，形成了复合音，如图1。

        图1 复合音的声波函数
        声音中包含着正弦函数。声音是由于物体的振动产生的能引起听觉的波。现实生活中的音几乎都是由纯音合成的，纯音的数学模型是函数y＝Asinωt（振动的物体）[4]。音调，响度和音色等声音的三要素都与正弦函数及其参数有关，响度和振幅有关，也可说是与声波的能量大小有关，振幅越大，响度越大；声音的音长也与振幅有关，声音消失过程是由于声波在传播过程中受阻尼振动（物体振幅逐渐减小），系统的机械能随时间逐渐减小。而音调则与物体的振频相对应，声音波形的振频小的声音低沉，声音波形的振频大的声音尖利。
        4结语
        通过本文，我们可以知道用声音波形来认识声音。并且了解了声音的响度、频率、音色等概念。我们还通过数学上的函数直观地“观察”了声音。实际上，进一步我们可以通过软件输入函数，听到不同函数所发出的不同声音。对于声音的认识，现在还远远不够。理论上，我们可以通过声音来传递能量和信息[5]。比如对声波的研究使得海上救难颇为方便，大大发展了近代的航海技术。这是因为海洋可依声速大小分为表面层、主跃变层和深海等温层三层。其中位于水面下约一千公尺处的主跃变层中声速最小，因此在此深度的声波都会被上下两层密介质折射回来，使其必定保持在这个特殊的“水下声道”中传播，不易散失。其中低频声波，更由于吸收率较低，其能力可以传到几千公里之外。所以遇难船只或坠海飞行员可以投掷炸药包，使其在水下声道中传播出爆响，由三个以上的测站接收即可定出遇难地点。这种方法甚至可以先期预报海啸的袭击，以利早先走避。
希望未来，我们可以应用声音的特性，发展出更新的技术，更有利于人类的活动。
参考文献
[1]杨磊.识音频,懂声音[J].中国信息技术教育,2021(05):75-80.
[2]王海萍.蕴藏在美妙音乐中的数学奥秘[J].北方音乐,2019,39(16):159+161.
[3]何志奇.此时无声胜有声——赏析音乐与三角函数[J].新世纪智能,2019(85):16-18.
[4]张琼.趣味数学与音乐的联系[J].数理化学习,2011(09):33-34.
[5]樊鹏.一种噪声环境下的复杂声音识别方法[D].合肥工业大学,2017.