第2章 聲學基礎

2.1 聲學的基本概念

聲音是聲振動波通過空氣或固體、液體等介質傳播并能被人或動物聽覺器官所感知的現象。日常生活中，除了音樂、語言、呼叫外，還存在各種噪聲。常見的噪聲有吵鬧的環(huán)境、車輛聲、飛機聲、機器聲等。物體的振動是產生聲音的根源。

發(fā)出聲音的物體被稱為聲源。聲源發(fā)出的聲音必須通過媒介才能傳播，傳聲媒介主要為空氣、液體或固體。

聲音以聲波的形式振動傳播。在喇叭通過空氣向人耳傳遞聲音的過程中，喇叭的膜面產生振動?？拷っ娴目諝馐艿綁嚎s，空氣媒介的質點由“稀疏”變?yōu)椤懊芗?，空氣密度增大；在喇叭向人耳傳播的路徑上，靠近膜面且變成“密集”的質點會引起臨近空氣質點由“密集”變?yōu)椤跋∈琛?，空氣密度減小。接著這個質點沿著傳播途徑帶動其他質點由近及遠地依次傳遞，這一密一疏的空氣就形成了傳播的聲波。聲波作用于人耳鼓膜使之振動，刺激內耳的聽覺神經，于是便產生了聲音的感覺。聲音的產生和傳播如圖2-1所示。

聲音在媒介中傳播只是運動的形式，媒介本身并不會被傳遞，而是在它平衡的位置來回振動。不考慮聲波傳遞過程中的能量損耗，喇叭的振動引起周圍空氣質點的振動幅度隨時間的變化類似正弦曲線。

聲波上兩個相鄰“密集”或“稀疏”部分之間的距離被稱為波長λ。聲波每秒在媒介中傳播的距離被稱為聲速c。波長λ、頻率f和聲速c之間的關系為

聲速c與媒介的物理特性有關，通常情況下，不同媒介的聲速滿足

聲速c與媒介的密度、壓強、溫度、比熱容等因素有關。聲速c的計算公式為

式中 γ——比熱容比，對空氣媒介，取γ=1.402；

p₀——媒介的壓強；

ρ₀——媒介的密度；

R——單位質量的氣體常數，取287.05J/（kg·K）；

T——熱力學溫度，T=273.15+t，t為攝氏溫度。

取空氣媒介的相關數據，按式（2-3）計算得到空氣中聲速c的計算公式為

在t=15℃時，聲速約等于340.5m/s。常見媒介中的聲速見表2-1。

聲波由物體的振動而產生，振動的過程中一定存在振動頻率，因此聲音總會包含一定頻率范圍的振動。外部的聲波傳播進入耳道，到達耳膜處，引起耳膜振動，振動先后傳遞到錘骨、砧骨和鐙骨進入耳蝸。耳蝸的基膜上部有成千上萬的微小毛細胞，毛細胞將振動信號轉換成電信號通過聽覺神經送給大腦，這就是人耳聽覺產生的原理。

人耳的基膜是一個長的線狀結構，沿著長度方向具有不同的屬性：寬度、剛度、質量、阻尼和管道尺寸。長度方向給定位置的這些參數決定了它的特征頻率，也就是它對哪個頻率的聲音振動最敏感。基膜最寬（0.42～0.65mm）和最柔的位置是耳蝸的“端”部，最窄（0.08～0.16mm）和最剛的位置是根部。高頻聲音會被耳蝸近根部位置所感知，低頻聲音在近端部位置被感知。由于耳蝸不同位置對不同頻率的靈敏度不同，因此，人耳對聲音傳遞特性具有非線性。

人的語音頻率范圍集中在80Hz～12kHz，人耳可聽的聲音具有一定的頻率范圍（20Hz～20k Hz）和一定的聲壓級范圍（0～130dB）。人耳不是對所有頻率的敏感度都相同。正常人耳對聲音的頻響會隨著聲音頻率的變化而變化。通常情況下低頻段和高頻段聲音感知能力不如中頻段。低于20Hz的聲音被稱為次聲波，高于20kHz的聲音被稱為超聲。人和動物既是聲源，也是聲音的接收者。由于構造的不同，人和動物發(fā)聲和接收聲源的頻率也不相同。常見對象的發(fā)聲和接收聲源的頻率范圍見表2-2。