聲學基礎知識

07-08

一、聲音　　聲音是空氣分子的振動。物體的振動（我們稱之為"聲源"）引起空氣分子相應的振動，傳入人耳導致鼓膜振動，通過中耳、內耳等一系列聽覺器官的共同作用使人聽到了聲音。二、聲波　　把石頭扔進平靜的水面，會形成一組向四周擴散的水波，這是我們所能見到的比較直觀"波"，空氣分子振動形成的聲波要複雜一點，它是從聲源向四周立體擴散的一組疏密波，空氣分子並不是從聲源一直跑到您的耳朵，而是在它本來的位置振動，從而引起與它相鄰的空氣分子隨之振動，聲音就是這樣從聲源很快地向外傳播的，聲音在空氣中的傳播速度是331米/秒。舉一個簡單的例子，麥浪的運動跟聲波很相似，粒子的振動方向與波的運動方向是平行的。波需要通過介質來傳播，麥浪的運動到田埂邊就自然停止了，聲波的傳播介質是空氣分子，所以，真空里聲音是不能傳播的。三、聲音的頻率　　聲波每秒的振動次數稱為頻率，頻率在20Hz~20KHz之間稱為聲波；頻率大於20khz稱為超聲波；頻率小於20hz稱為次聲波。超聲波和次聲波人耳是聽不到的，地震波和海嘯都是次聲波。有些動物的耳朵比人類要靈敏得多，比如蝙蝠就能"聽到"超聲波。世界上很少存在單一頻率的 "純音"，我們所聽到的聲音大都是各種頻率的複合音，如樂器發出的單音就是周期性的複合音，語音則是非周期性的複合音。讓我們對聲音的頻率有一個比較直觀的概念：大鼓的"蓬蓬"聲頻率很低，大約在35Hz-7kHz；人的語音頻率範圍主要在200 Hz到4000 Hz之間；鑼聲、鈴聲的頻率大約在2000 Hz到3000 Hz左右；在人類語音中，女聲比男聲頻率要高一點；童聲要比成人頻率高一點；"啊啊"聲頻率較低，"咿咿"聲頻率稍高，"嗤嗤、嘶嘶"聲頻率最高。知道這一點很有用，在實際中，可以經常用來測試病人戴助聽器前後對聲音頻率的反應。高頻和低頻是相對的，在語音範圍中，通常把1000 Hz以上的區域稱為高頻區，500Hz -1000 Hz的區域稱為中頻區，低於500 Hz的區域稱為低頻區。

四、聲音的強度　　其一是從物理上來描述：我們知道由於空氣分子本身固有的不規則運動及相互排斥會形成一個靜態的壓力，這個壓力就是我們所熟知的大氣壓。前面我們講過，聲音是空氣分子的振動，振動的空氣分子對它通過的截面就會產生額外的壓力，這種額外的壓力我們就稱之為聲壓。聲壓比之大氣壓要小得多得多，舉個例子，一個聲壓僅僅相當於大氣壓的一萬分之一的聲音就足以把人的耳朵振聾。物理學家引入了聲壓級（spl）來描述聲音的大小：我們把一很小的聲壓p0=2х10-5帕作為參考聲壓，把所要測量的聲壓p與參考聲壓p0的比值取常用對數後乘以20得到的數值稱為聲壓級，聲壓級是聽力學中最重要的參數之一，單位是分貝[+red]（db）。其二我們要了解的概念是聽力級（hl），前面所討論的聲壓級是比較客觀的聲學參數，而在聽力學中我們經常要討論的是人耳聽到了什麼，而不僅僅是測量到了什麼。人耳不是一個很好的測量聲音的儀器，因而聽力學家引入了聽力級這個概念來更好地解釋人耳聽到的聲音的大小。　聽力學家通過大量的實驗把正常人耳在某個頻率上剛剛能聽見的聲音大小的平均值定義為零分貝聽力級（0dbhl）。聲壓級（spl）和聽力級（hl）兩個概念單位都是分貝，但概念卻不同，聲壓級描述的是聲音的物理特性，聽力級描述的是人耳感覺的聲音。很多電聲學的概念如助聽器的增益、信噪比、聽閾值、聽力損失等，單位都是用分貝，但概念都不同。許多用分貝來作測量單位的參數都是拿一個參數與另外一個參數比較得來的。比如，助聽器的增益gain是把放大後的聲壓跟輸入的聲壓作比較；信噪比是把信號的強度跟雜訊的強度作比較。這些概念都是在聽力學中都是非常重要的。五、雜訊（１）雜訊的定義：　　1.從主觀需要的角度來看：所有不希望存在的聲音都可稱之為雜訊。比如，在寂靜的考場中，再動聽的音樂也是雜訊；在你看電視的時候，他人的談話即是雜訊；在你與他人談話的時候，電視聲也就變成雜訊了。　　2.從物理分析的角度來看：一切不規則的或隨機的聲信號或電信號都可稱之為雜訊。（２）信噪比　　　在測量環境中信號與雜訊的聲壓級之差為信噪比，單位是分貝。比如在你看電視的環境中，電視機的聲音就是信號，他人的談話和其他聲音就成為雜訊，如果電視音量為60 dbspl，雜訊總的音量是50dbspl，那麼此時信噪比就是10 db。同樣在這個環境中，如果你此時是在和他人談話，假如你朋友說話（此時是信號）的音量是60 dbspl，電視聲音關小後和其他聲音總和（此時是雜訊）的音量是55 dbspl，那麼此時信噪比就是5 db。　　　　信噪比的大小對你是否能聽清你想聽的信息很重要。環境雜訊是指測試環境所有近處和遠處雜訊的總和。　　　　　本底雜訊（背景雜訊）一般指電聲系統中除有用信號以外的總雜訊。比如電視聲中除節目聲音外的"沙沙"聲等。掩蔽雜訊是指聽力測聽中用來掩蓋信號聲的特定雜訊，包括白雜訊(white noise)、寬頻雜訊(wide noise)、窄帶雜訊(narrow band noise)等

聲音是物體振動發出的，它有三個主要特徵。即聲音的大小、聲音的高低和聲音的特色。　　聲音的大小就是聲強或聲壓，它是聲音能量大小的標誌。一般情況下，聲壓大，我們聽起來聲音也就響亮。用力喊叫或說話，聲音也就大。除專業上使用壓力和能量單位度量聲音大小外，通常使用一個相對值分貝（ｄＢ）來標誌。例如：年青人的正常聽力為零分貝（聽力級），夜深人靜的環境聲約為20分貝（聲壓級以下同），兩人正常談話聲約60分貝，大功率助聽器輸出最大可達140分貝。　　聲音的高低就是聲音的頻率，用每秒振動的次數來度量，單位是赫茲（HZ）。人耳可聽到20－20000赫茲這麼寬範圍的聲音。習慣上將500赫茲以下聲音稱為低頻音。如：敲門聲。1000至2000赫茲的聲音稱為中頻音，2000以上聲音稱為高頻音。500、1000、2000赫茲是人們言語交往的主要頻率，故稱語言頻率。是判定聽力損失程度最常用的。　　聲音的特色就是音色。生活中，我們很容易分辨鋼琴聲和小號聲的不同，雖然它們在用同一種響度，發同一音高的音。這是因為環境中的聲音都是複合的聲音（包括語言聲），在一個主要頻率音周圍，還有很多周邊的聲音混在一起，這些成份的強弱就構成了不同的音色。