3.1　聲音概述

3.1.1　聲音的定義

以音叉的振動來舉例：當音叉振動產生聲波時，會在介質點的平衡位置附近做往復運動，帶動音叉周圍的空氣振動（聲波由物體振動產生的），當振動在一定的頻率和強度范圍內時，人耳就可以聽到。發生振動的物體稱為聲源，有聲波傳播的空間稱為聲場。當聲源在空氣中推動時，介質中振動著的質點的位移會作用到相鄰質點，使后者也產生振動，物理學中把聲源振動在介質（空氣或其他物質）中的傳播稱為聲波。聲波在15℃時，大約以340m/s的速度由聲源向外傳播。氣體中的聲波屬于縱波，即波的前進方向與介質點的振動方向在一條直線上。如此可以推斷，橫波是介質點的振動方向與波的前進方向是垂直的，橫波也稱“凹凸波”。但在固體中傳播時，也可以同時有縱波及橫波，如圖3-1所示。

1.聲速

描述聲音傳播速度的物理量，大小等于聲音在單位時間內傳播的距離稱為聲速（通常以c表示，國際單位是m/s）。

聲音的傳播需要物質，物理學中把這樣的物質稱為介質。

以下是一些聲音在不同的介質中的傳播速度：

真空0m/s（也就是不能傳播）　　空氣（15℃）340m/s

空氣（25℃）346m/s　　軟木500m/s

煤油（25℃）1324m/s　　蒸餾水（25℃）1497m/s

海水（25℃）1531m/s　　水（常溫）1500m/s

銅（棒）3750m/s　　大理石3810m/s

鋁（棒）5000m/s　　鐵（棒）5200m/s

※記住：聲音在不同的物質中的傳播速度不同。

2.頻率

頻率是單位時間內完成周期性變化的次數，單位是Hz（赫茲，簡稱赫）。人耳聽覺的頻率范圍約為20Hz～20kHz，超出這個范圍的就不為人耳所察覺。低于20Hz為次聲波，高于20kHz為超聲波。聲音的頻率越高，則聲音的音調越高；聲音的頻率越低，則聲音的音調越低。

可聽的頻率范圍可分為以下幾個階段：

低頻　20～200Hz；

中頻　200Hz～5kHz；

高頻　5～20kHz。

有時中頻還可以進一步分為：

中低頻　200Hz～1kHz；

中高頻　1～5kHz。

3.波長

波長是指波在一個振動周期內傳播的距離，即波峰到波峰（或者波谷到波谷）的距離，如圖3-2所示。

4.振幅

振動物體離開平衡位置的最大距離稱為振動的振幅。振幅描述了物體振動幅度的大小和振動的強弱。人耳將振幅轉化為音量。波形越高，音量越大；波形越低，音量越小。振幅在聲波中的計量單位為dB（分貝）。

5.頻譜結構

頻譜結構決定音色。聲音的基頻和諧波的數目以及它們之間的相互關系稱為頻譜結構。頻譜就是頻率的分布曲線，復雜的振蕩可以分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按照頻率排列的圖形稱為頻譜。它將對信號的研究帶來更直觀的認識。

6.包絡

包絡就是隨機過程中的振幅隨著時間變化的曲線。

3.1.2　聲音的特點

1.聲音的傳播特點

（1）聲波的反射

聲波在傳播的過程中，遇到尺寸比聲波大的堅硬界面，會產生反射。反射角等于入射角。反射的聲波好像是從反射面的后面與聲源相對的位置發射出來的，就像反射面的后面有一個發聲源，稱為虛聲源（鏡像聲源），它與反射面的距離等于聲源與反射面的距離。

當聲源在一個凹形反射面前時，聲波會聚成一個焦點（雷達、電暖氣）。對于不需要這種現象的場合或者場所中（例如播音廳），為了聲波的擴散，應該要避免凹形的反射面。

當聲源在一個凸形反射面前時，聲波會產生擴散的效果（山路U形彎的反射鏡）。播音廳中的設計經常使用凸面結構，來增加聲波的擴散，使聲場中聲能的密度變得均勻。

（2）聲波的衍射

當聲波在傳播過程中遇到障礙物的起伏尺寸與波長大小接近或更小時，將不會形成定向反射，而是散播在空間中，這種現象稱為衍射。影響因素：障礙物的尺寸或縫孔的寬度與波長接近或更小時，才能觀察到明顯的衍射現象。這不是決定衍射能否發生的條件，只是使衍射現象明顯表現的條件。波長越大，越容易發生衍射現象。

（3）聲波的干涉

聲波能發生干涉，可以用音叉來演示。當音叉產生振動發出聲音的時候，它的兩個叉股產生的頻率是相同的，它們產生的兩列聲波發生干涉，出現加強區和減弱區。在加強區，空氣的密度增大，振動加強，聽到的聲音也強。在減弱區，空氣的密度減小，振動減弱，聽到的聲音也弱。綜上所述，當轉動正在振動的音叉時（以音叉手柄為中心旋轉），就會聽到聲音忽強忽弱。

在空間形成振幅恒定不變的振動稱為駐波。

（4）聲波的能量耗損

根據平方反比定律，聲波是向四面八方傳播的。在傳播過程中，距離越遠，分配在每單位表面積上的聲能就越小，導致距離越遠聲音就越小。

在遇到障礙物時，聲波會被反射或衍射，還有一部分能量會被障礙物吸收，這也是聲能損耗的一部分途徑。

根據聲波在空氣和鋼鐵中傳播可以推導出來，密度越大的傳的距離越遠，介質不一樣，傳播的速率也不同。

聲波在介質中的損耗主要有如下幾種：第一是隨著聲波在介質中的擴散使得某個方向上介質的密度降低，聲波在鐵軌中傳得遠就是因為鐵軌的形狀使得聲波不易擴散，能量集中；第二是因為介質都不是理想彈性，聲波傳遞的過程存在耗損和擴散，即一部分能量會轉變為熱，這與介質的彈性性能有關，容易受到壓力、溫度等的影響，還與聲波的頻率有關；第三是在介質邊界處也會有明顯的損耗。單純從介質來說那就是彈性性能越好、體積模量越大的介質損耗越少。固體中除了縱波之外還有橫波，縱波受體積模量影響橫波的話就是切變模量。一般在15℃下，聲波在空氣（大氣壓依次增大）、液體、固體中的傳播速度依次增大，能量于傳播中被吸收，這涉及兩個變量：介質損耗程度和介質傳播速度。

【實例分析3-1：錄音棚的聲學裝修】

結合聲音的特性和聲音傳播的特點，我們知道，好的聲音是需要頻響平直、響度適中的。多數音樂都是在錄音棚中進行錄制的。在錄音棚的裝修設計中，有一部分是關于聲學裝修。那么這部分設計，就需要參考聲音的特性和聲音的傳播特點。

錄音棚聲學設計中很重要的一點就是需要隔音。把外界聲音隔絕，才能錄到干凈的聲音。所以，錄音棚的墻體會很厚，而且中空，就是為了阻擋聲音通過墻體的振動傳播進來。第二點是吸音。錄音棚通常會很大很空，但在錄音的過程中，通常不能錄到很大的混響，所以就需要有專門的吸音材料來進行吸音。第三點是聲音的擴散。錄音棚中不能出現駐波，所以錄音棚的墻面，是不能出現平行面的。

隔音、吸音和擴散，都是應用了聲音傳播的特性。

2.人耳聽覺的幾種效應

（1）掩蔽效應

一種頻率的聲音阻礙聽覺系統感受另一種頻率的聲音的現象稱為掩蔽效應。前者稱為掩蔽聲音，后者稱為被掩蔽聲音。掩蔽可分成頻域掩蔽和時域掩蔽。

例如，在聲音的整個頻率中，如果某一個頻率段的聲音比較強，則人就對其他頻率段的聲音不敏感了。應用此原理，人們發明了MP3等壓縮的數字音樂格式，在這些格式的文件里，只突出記錄了人耳朵較為敏感的中頻段聲音，而對于較高和較低的頻率的聲音則簡略記錄，從而大大壓縮了所需的存儲空間。在人們欣賞音樂時，如果設備對高頻響應得比較好，則會使人感到低頻響應不好，反之亦然。

【實例分析3-2：掩蔽效應在現場的應用】

可以從模擬酒吧聊天狀態的方式來體驗掩蔽效應。酒吧里的環境通常是吵鬧的。所以在酒吧里，人們需要提高自己說話的響度和音調才能讓對方聽清，這就是掩蔽效應。這種說話的狀態和在安靜的臥室里地說話狀態是完全不同的。可以嘗試讓一個人在安靜的臥室里戴著耳機聽很大聲音的搖滾樂，然后跟另外一個沒有聽音樂的人交流。結果就是戴耳機的人說話聲音會讓沒戴耳機的人感到震耳欲聾，而沒戴耳機的人說話聲音會讓戴耳機的人聽不到。

利用這樣的效應和現象，在拍戲中遇到酒吧場景，就需要注意了。因為同期錄音中不能有酒吧的音樂、人群的嘈雜和燈光等設備的噪聲。在現場一定是非常安靜的，等到后期再將這些環境聲加進去。所以在現場演員因為環境不同而有可能語調語氣不一樣。可以讓演員戴著耳機聽很大聲的搖滾樂，然后去對戲，這樣可以找到真實酒吧環境中說話的感覺。在實拍時，把耳機去掉，保持剛才說話的狀態，就可以了。利用這樣的技巧，可以輕而易舉地解決在酒吧中沒有環境但需要有狀態的問題。

（2）雙耳效應

雙耳效應是人們依靠雙耳間的音量差、時間差和距離差判別聲音方位的效應。主要用于對聲音的定位。

（3）哈斯效應

雙聲源的不同延時給人耳聽覺反映出的感受，稱為哈斯效應。根據哈斯效應原理，可以校正擴聲系統的聲像問題。

（4）雞尾酒會效應

雞尾酒會效應是指人的聽力選擇能力，是一種主觀感受，一種心理現象。注意力集中在某一個人的談話中而可以忽略其他人的對話。例如，當人們和朋友在一個雞尾酒會或某個喧鬧場所談話時，盡管周邊的噪聲很大，還是可以聽到朋友說的內容。同時，在遠處突然有人叫自己的名字時，人們會馬上注意到。又如，在周圍交談的話題是我們感興趣的話題時，就會下意識地注意周圍的談話而忽略其他的聲音。

【實例分析3-3：拍攝過程中避免雞尾酒會效應】

雞尾酒會效應在生活中給予人們很多幫助，但是在拍攝影片時，它又會給人們帶來很大的麻煩。在拍片子的時候都會出現這樣的情況：在一個相對不是特別安靜的環境下拍攝一段畫面，拍攝的時候感覺臺詞非常清晰、電平量足夠大，但回去后卻發現，周圍的環境噪聲非常大，導致臺詞清晰度下降甚至聽不清，信噪比非常低。這個現象就是人耳的雞尾酒會效應造成的，在拍攝的過程中，人們將注意力都放在了臺詞上，感覺臺詞的響度是足夠的，在后期制作的時候，則是以一個整體的角度去聽判這個聲音，于是就會發現之前沒有聽到的現場噪聲。因為人的大腦是有主觀感受的，但話筒、錄音機是能夠客觀記錄的設備，它們是不能進行選擇性記錄的。所以，在拍片子的時候，不僅僅要單方面注意臺詞，還要注意周圍的環境聲對臺詞的影響。從整體來審聽聲音的質量，從而避免在拍攝中產生的雞尾酒會效應對影片聲音質量的影響。

（5）多普勒效應

當發聲源與聽者之間發生相對運動時，聽者所感受到的頻率改變的現象稱為多普勒效應。

【實例分析3-4：生活中的多普勒效應】

人們常常會在馬路上聽到救護車或警車鳴著警笛呼嘯而過。你會發現，以車子離自己最近的點為標記，可以分為前后兩段。前半段隨著距離越來越近，警笛聲的響度會越來越大，音調會越來越高。在經過自己的時候，音調瞬間變低，然后隨著遠去，警笛聲越來越小，音調越來越低。這就是典型的多普勒效應的感受。