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声波的产生、传播及接收添加时间:2016-12-20
声学作为一门科学,它就是要研究声音这么一个范畴中的规律,要建立定律。在声音这个范畴里面,有各种各样的现象,声学就是要建立各种各样的方程、定律来描述这些现象;创造是要发现和发明一些新的东西,当然新的东西不是常常能够发明的,能够揭示我们过去不知道的声学现象,也叫做创造。
比如说人耳的听觉机理,声音的刺激怎样变成电信号并进入大脑,像这样的一些现象都是通过研究了以后,找到其规律,就是一个发现和创造的过程。然后要理解,在理解一些声学现象的基础上,发展新的预测性理论。一个人在这边讲一句话,在远处听到的是什么样的效果,跟这儿讲的话有什么样的联系,类似这样的一些关系,都需要在理解的基础上建立起来一些规律才能说明白。
所以我们说,声学首先是一门科学,声学的生命力也就在于科学的物理基础,有了这些基础,声学才能朝前发展。

1、声波的产生机制
首先要研究的是声波的产生,比如在研究语音识别、语音合成这些技术性的问题之前,就先要理解语音是怎么产生的。现在我们知道,语音产生动力源于肺,肺产生压缩空气,然后通过气管、喉、口腔、鼻腔、牙齿、嘴唇等等这一套器官调制以后,再喷射出来,就产生了语音。专业的歌手发出乐音时,还要使用胸腔,而不仅仅是喉咙。
对乐器和人的发音原理的研究是从激励器、共鸣器、辐射器三大部件来入手,以求得最高的发音效率和优美的音色。简单的响器,其激励、共鸣、辐射合为一体,如锣;电子合成乐器则用电路来模仿激励器和共鸣器,辐射器就是扬声器。
音乐家以音强、音高、音色(或称为音品)作为乐音三大要素,客观上决定任一声音的物理参量是声压、时程和频谱。对乐音而言,声压决定它的强度或响度感觉,频谱决定它的音色。音高在声学上称为音调,由频谱中的基音频率决定。若基音消失,音调的感觉不变,由谐音系列的结构决定。
2、声波的传播

声速声速也称音速也称音速,即声音在介质中传播之速度。音波可以在固体、液体或是气体介质中传播,介质密度愈大,则音速愈快。在空气中,音速又会依空气之状态(如湿度、温度、密度)不同而有不同数值。如攝氏零度之海平面音速约为 331.5m/s(1193 km/h);一万米高空之音速约为 295m/s(1062 km/h);另外每升高1摄氏度,音速就增加0.607m/s。

1635年有人用远地枪声测声速,以后方法又不断改进,到1738年巴黎科学院利用炮声进行测量,测得结果折合为0℃时声速为332米/秒,与目前最准确的数值331.45米/秒只差0.15%,这在当时"声学仪器"只有停表和人耳和情况下,的确是了不起的成绩。经过严格推导,声速公式为:

式中ρ为介质的密度;K称为体积弹性模量,dp、dρ分别为压强和密度的微小变化。对于液体和固体,K和ρ随温度和压强的变化很小,主要是随介质不同而异,所以在同一介质中,声速基本上是一个常数。对于气体,K和ρ随压强和温度的变化很大,故按体积弹性模量的定义,以用下式计算更为方便:

声波能量产生了以后是要传播的,因为根据声的定义,声就是扰动的传播。从我的嘴巴到你的耳朵,中间的这个过程,是不是说就是一个直线过去?不是这么简单,它实际上有各种各样的渠道过去,从地面反射过去,从天花板反射过去,从我背后的墙反射过去,像这样的一个复杂的环境,声波传到你的耳朵,变化已经非常大了,到底变成了什么样,就需要研究。
如果不能研究清楚,建造了一个音质很糟的厅堂,这边讲的话,那边听到的声音可能很响,但并不能听懂说话人说的什么意思,传播的效果就没法控制,所以说就需要先认识声波是怎么传播的。

(1) 直达声:是室内任一点直接接收到声源发出的声音。它是接收声音的主体,又叫主达声,不受空间界面影响,其声强基本上是与听点到声源间距离的平方成反比衰减。

(2) 早期反射声:指延迟直达声50ms以内到达听声点的反射声,对声音起到增强作用;在大空间内,因反射距离远,易形成回声,产生空间感。

(3) 混响声:声波经室内界面的多次反射,迟于早期反射声到达听点的声音,直至声源停止发声,但由于多次反射,听点仍能听到,故又称余声,影响声音的清晰度。

混响时间:在一个声场中,一个声音的声压级衰减60dB所需要的时间,用T60来表示。单位:秒(s)
T60=0.16V/Sa (赛宾公式)
式中:V为声场总容积,S为声场的表面积,a为声场的建筑装饰材料的平均吸声系数。

例:某段音乐的声压级为90dB,此时中止音乐,音乐声逐渐减弱,当其声压级从90dB降至30dB时可需时1.2秒,那么,此房间的混响时间为1.2秒。
3、声波的接收
声波的接收首先要研究听觉的机理,它是声学里面最让人感兴趣的课题之一,因为它直接与人有关。人感受到声音首先是通过耳朵,所以听觉一直是一个非常热闹的研究方向,也是声学里唯一得了诺贝尔奖的一个分支学科。整个来说,听觉机理包括几个学科的交叉。

首先外面有声音传播进入到耳朵里来,这是一个物理的过程:声波从外面的一个扰动,通过传播,进入了人的耳朵,然后在鼓膜上产生了响应,带动了耳膜后的一个耳骨,耳骨的运动在耳蜗中,也就是在一个像蜗牛形状的这么一个东西里面,产生一个响应,耳蜗周围有一些毛细的细胞,会刺激里面的皮层,然后产生电的响应,到了这样的层次,就变成了一个生理的过程,也就是说声波传播到了耳蜗这个地方,就到了一个生理声学研究的范畴。

然后再进到里面,声信号变成了电信号,进入人的大脑,产生的响应就变成了心理的东西,所以它后面是心理声学研究的范畴,所以这么一个听觉的机制是从物理的到生理的,然后到心理的,是交叉性非常强的一个学科,也是很容易出成果的一个地方。

当然我们现在研究声波的接收,更多的时候不是用耳朵,而是用话筒,专业上称为传声器,研究怎么样把声音信号变成电信号,要研究声和电之间是怎么样转变的,什么样的材料会产生这种变化,什么样的结构能够有效地实现这种变化。