02 声音的本质 The Nature of Sound（第2页）

当来自多个声源的声音相遇、相容混合时，就形成了一个由嘈杂和安静区域组成的三维模式，称为干涉模式。安静的区域形成于一个声源的疏部与另一个声源的密部相遇的地方，这就是相消干涉；当疏部与疏部相遇，或者密部与密部相遇时，嘈杂的区域就出现了相长干涉（见图8）。

图8　相长干涉和相消干涉

干涉在立体声产生和噪声消除中发挥了重要的作用。它引入了声波的另一个表征参数——相位，即声波在空间和时间的某一特定点上的压力的高低。相位只在声波相互作用时才真正起作用。在上面的例子中，密部相互重合的一对声波（因此形成一个较嘈杂的区域）称为同相，而那些不重合的声波则处于异相。当波最大限度地偏离相位时，我们说它们处于反相。人类的听觉系统是无法识别相位的。

声音的能量

定义和测量声音的量的方法有好几种，每种方法适用的领域都不相同。如果测量的内容是听力或音乐，那么声压是最好的选择，因为它是与响度最直接相关的参数（尽管也不是很简单，但请继续读下去）。但是，在讨论声源的效率时，人们可能希望知道每秒有多少能量从声源中流出，即声音的能量。要描述特定声场对物体的影响，我们感兴趣的参数是声强，即每秒打在该物体1平方米面积上的声音能量。音量是一种定义不太严格的度量方法，用于标记音频设备，但旨在模拟响度。

可听频率范围内的声波在通过空气时的吸收损失很少（每100米约0。25分贝6音分，但随天气条件变化很大）。声音会随着距离增加而消失的主要原因是它们可以自由地向许多方向扩散，所以它们的能量会随着扩散越来越低，同时占据的体积越来越大。如果声源悬浮在自由空气中，其声音可以向各个方向传播（球面扩散），则声压与接收者到声源的距离成反比。也就是说，如果从声源到测量点的距离加倍，声压就会减半。

声音的强度下降得比这还快，它与距离的平方成反比。因此如果我们假设从声源到测量点的距离加倍，声音的强度就会下降14（122）；如果距离扩大为10倍，则强度下降到之前的1100（1102）。但如果声源在地面上，则声波呈半球面传播（见框5），声压和强度的下降率变为上述情况的一半。换句话说，当距离加倍时，声音的强度大约下降到原来的一半。不过也有例外情况，当地面是一个完美的反射器时（一块大理石地板可以近似于完美的反射器），强度的下降会比这更快，这是由于反射介质吸收导致能量损失。声功率只取决于声源，所以在任何距离上都是一样的。

自然界中基本上不存在纯音，最接近纯音的可能是鸟类的歌声。真实声音的波形看起来各不相同，图9显示了基频相似的不同声音的压力变化。

图9　不同声音的波形

困难的分贝

声音是最早被人类理解的一种能量形式。早在公元前300年，我们就已经知道它是可以穿过空气和水的某种形式的物理变化。但很久以后，声音最明显的特征——响度，才在一定程度上被真正量化。但是，直到2000多年后才出现的这种量化，并不能令人满意。

到目前为止，最广泛使用的量化声音的度量是分贝（dB，见框6）。如果两个信号在声压上相差1分贝，那么它们的声压比值约为1。2∶1，这恰巧是我们在理想条件下能听到的最小差异。10分贝的差异相当于声压比为3∶1，100分贝的差异相当于声压比为100000∶1。

分贝是110贝尔，贝尔这个词由传输理论中最常用的三个字母（β，ε和l）结合而成，并且也是向亚历山大·格雷厄姆·贝尔（AlexanderGrahamBell）[4]致敬。分贝并不是单位，它其实是比值，所以它可以描述一种东西比另一种强大多少。如果你愿意，你可以用它来比较一对加热器的输出，但这并不能告诉你它们实际上到底有多热。

要用分贝来描述一个设备的声音，重要的是要知道你在和什么进行比较。对于空气中的声音，我们将其与某种刚好能被听到的声音（相当于20微帕斯卡的压力）进行比较。当声音的大小以这样的参考水平给出时，就会加上“级”字，例如，声压级（SoundPressureLevel，SPL）。

所以，0分贝的声音是你能听到的最小声音的“1倍大”（也就是说，和你刚好能听到的声音一样大），1分贝大约是12倍，2分贝是26倍，以此类推。所有的声学家都满意这个解决方案吗？不，他们并不满意。超声波工程师并不在意他们的超声波比“你恰好能听到的声音”大多少倍，反正本来也没有人能听到。他们喜欢的是功率，因此他们测量数据的单位是瓦特。与此同时，水下声学家理所应当地问道：“那么听力的阈值呢？当你的耳朵灌满了水，头上戴着橡胶耳机，这种阈值有什么意义呢？”又或者：“如果你是鲸鱼呢？这种阈值又有什么意义？”所以，他们的分贝建立在1微帕斯卡的参考压力上，因为这很好记，也很容易测量。于是现在我们有两种“分贝”，一种用于水中，另一种用于空气，这两种分贝对于相同的声音会给出不同的值。只要每个人都记得他们所使用的分贝的参考水平是多少就不是什么大问题，然而糟糕的是人们并不记得。

还有一个问题。很少有人关心一个物体究竟产生了多少声音，我们想知道的只是它的声音听起来有多大。声音听起来有多大取决于物体离我们有多远，这似乎是显而易见的，但这意味着我们不能说汽车喇叭的声压级是90分贝，只能说它在一定距离上是这个值。通常情况下，即使是那些在教科书中非常流行的简易分贝图表也会出现这种错误，例如声称风钻的声压级为100分贝，而实际上是“如果在10米的距离（或其他距离）处测量，声压级为100分贝”。不难看出这种“偷懒”的表述到处都是，比如“安静的办公室”，我们知道它指的是你工作时安静的办公室，而不是走廊尽头或其他城镇的安静办公室。

还有第三个问题，即一个声源可能以任意一个、几个或多个频率产生声波。让我们暂且假设一下，声音的来源是一个扬声器，它的效率非常高，能把输入的所有电能都转换成声音。而且我们假设它有一个频率控制器，但没有音量旋钮。如果我们测量每秒从扬声器中流出的总声能（功率），同时改变频率，那么功率当然会保持不变。同样地，扬声器的声压级在一定距离上会保持不变，这点用一个麦克风就可以证明（假设它在所有频率上都具有相同的灵敏度）。

然而，这和你的耳朵告诉你的完全不同。如果扬声器在20赫兹时刚好可以听到，它的音量会随着频率的增加而提高，直到大约4千赫时，它的音量会（非常粗略地）提高200倍。在更高的频率下，它会再次变得安静，最终在8～20千赫之间消失不见。你到底听不到什么频率的声音，取决于你的年龄，以及你在过去几十年里有没有好好保护你的耳朵。

在实践中，声学家对麦克风所组成的电路的响应进行加权，从而使系统表现得像耳朵一样，也就是对4千赫左右的频率最敏感。频率加权麦克风是声级计（Souer，SLM）的核心。实际应用中有很多不同的权重可供选择，甚至可以选择适合狗的权重。目前最受欢迎的是A权重，它近似人耳在中等音量下的反应。因此，对人类重要的分贝通常是A权重的，记为dBA，其全称是“A级加权声压级（以分贝记）”。

声级计会受声音时长的影响。这很重要，如果一个声音持续的时间短于0。1秒，它听起来就会更安静，因为人的听觉系统会将声音持续时间之内的能量积累起来去感受。

更复杂的是，音量的大小也取决于其来源的性质。例如，人们非常不喜欢飞机的声音，一般来说，他们认为飞机的声音就和实际上要大5分贝的无特征声音一样令人讨厌。相反，人们更喜欢火车的噪声，他们甚至觉得火车声音的烦人程度和实际上低5分贝的无特征声音一样。这些反应如此明确，以至于许多涉及飞机或铁路噪声的规划应用程序将其数字调整了5分贝，这种调整被称为“飞机惩罚”和“铁路奖励”。这意味着，没有任何仪表可以真正测量建筑师、房主、噪声活动家、嘈杂的机器购买者和声学家真正需要知道的东西——音量有多大。

考虑到所有这一切，用高精度声级计测量声压级几乎没有意义。大多数声级计测量10千赫声音的精度为±1。4分贝（称为2类仪表）。即使在实验室工作中，测量精度为±1。1分贝基本上是足够的（由1类声级计提供）。比准确度更重要的是遵守标准测量程序，包括通过与标准测量麦克风的比较来频繁地校准声级计。

尽管响度具有复杂性，而且会根据声源和用户的不同而产生变化，但科学家通过精心选择声音，然后对大量被测者的反应进行调查，大致确定了响度与声压级之间的关系，并在此基础上定义了单位，也就是方（Phon）。方被定义为与1千赫单音的声压级具有相同的值，因此声压级为10分贝的1千赫音调的响度级别为10方。但是一个和10方相同响度的50赫兹声音，其声压级是73分贝，因为我们的耳朵对50赫兹的敏感程度远低于1千赫的声音，一个50赫兹的声音需要比一个1千赫的声音高63分贝才能听起来同样响。

响度只是众多心理声学测量的指标之一，也被称为声音质量参数（此处“质量”指的是“性质”而不是“好坏”）。响度是目前最常用和发展最好的指标，其他的指标还包括锐度（单位是acums）、粗糙度（单位是aspers）、起伏度（单位是vacils）和柴油度（diesel）（柴油度没有单位，不同的汽车只是根据人们认为它们的声音有多“柴油”而进行主观排序的）。从最后一个名字能看出，这些指标主要是由汽车行业开发的，其目的是使门的咣当声、发动机的声音，甚至指示器的声音听起来更有力、男性化、可靠等。原则上讲，如果电子产品和噪声源都能用这些参数来描述的话，对用户是非常有用的。

声音质量这个话题是心理声学学科的一部分，即研究声音的心理效应，它本身可以被认为是现在所说的声音研究的一个组成部分。声音研究涉及各种声音在历史和不同文化中是如何产生和消耗的。关于这类主题的研究工作自20世纪40年代以来一直在进行，而自20世纪90年代初开始，这类研究的数量也在大大增加。

驻波

在声学史上，实现声音的可视是人们不断尝试的目标。在18世纪80年代，恩斯特·克拉德尼（Eri）研究了金属板被小提琴的琴弓划过发声时振动的方式。撒在板上的细粉会偏离振动强烈的区域，并聚集在静止的区域。因强烈振动而没有粉末的区域对应于波腹（如图1中的波峰或波谷），而静止且有粉末的区域是节点，即没有压力变化的点（图1中的曲线与轴线相交的地方）。

克拉德尼之所以能够以这种方式“看到”声波，仅仅是因为声波没有在空间中前进。它们是静止的，或者是“停驻的”声波，即驻波。对于驻波，图1只表示波的压力随位置的变化，而不是特定点的压力随时间的变化方式（驻波中任何一点基于时间的压力示意图都是一条水平线）。

这种原理在下面的例子中会展示地更清楚。假设有一根长12厘米的管子，一端开口，一端封闭。如果有人从开口端吹气，管内就会形成驻波。在这类波中，由于空气与闭合端管壁有摩擦，那里的空气无法移动，所以这一点是波节点。最简单的一种驻波是这样的：空气分子离闭合端越远，运动幅度越大，在开口端幅度达到最大（这一点称为波腹）。在这种驻波中，波长的14与管长相等，所以它的波长为4×12=48厘米。如果你吹得足够用力，管中就会形成一系列其他形式的驻波，每个驻波都有节点和波腹分别出现在管的两端，如图10所示。这些其他波的波长是第一种驻波的简单倍数，这样的一组波被称为谐波。

图10　一端开口管中的驻波

与上述的管子类似，在任意充满**的腔或任何坚硬的物体里，都存在非常容易被激发的特定波长的声音。这被称为共振模式（或简称为共振），共振的主要模式是可以预测的，因为它们只依赖于尺寸。例如，如果把一根12厘米长的杆子的两端固定，猛击它将产生24厘米波长的声波，以及波长为12厘米、8厘米、6厘米、4厘米的声波，还有所有其他节点间距能达到12厘米[5]的声波，这同样是一组谐波。

一个12厘米长的盒子里的空气或水也会产生上述所有波——在这种情况下，流体的“末端”靠近盒壁，在那里摩擦力阻止了流体的自由运动。盒子还会产生与它的高度、宽度和对角线相对应的波族。