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聲波的產生、傳播及接收添加時間:2016-12-20
聲學作為一門科學,它就是要研究聲音這么一個范疇中的規律,要建立定律。在聲音這個范疇里面,有各種各樣的現象,聲學就是要建立各種各樣的方程、定律來描述這些現象;創造是要發現和發明一些新的東西,當然新的東西不是常常能夠發明的,能夠揭示我們過去不知道的聲學現象,也叫做創造。
比如說人耳的聽覺機理,聲音的刺激怎樣變成電信號并進入大腦,像這樣的一些現象都是通過研究了以后,找到其規律,就是一個發現和創造的過程。然后要理解,在理解一些聲學現象的基礎上,發展新的預測性理論。一個人在這邊講一句話,在遠處聽到的是什么樣的效果,跟這兒講的話有什么樣的聯系,類似這樣的一些關系,都需要在理解的基礎上建立起來一些規律才能說明白。
所以我們說,聲學首先是一門科學,聲學的生命力也就在于科學的物理基礎,有了這些基礎,聲學才能朝前發展。

1、聲波的產生機制
首先要研究的是聲波的產生,比如在研究語音識別、語音合成這些技術性的問題之前,就先要理解語音是怎么產生的。現在我們知道,語音產生動力源于肺,肺產生壓縮空氣,然后通過氣管、喉、口腔、鼻腔、牙齒、嘴唇等等這一套器官調制以后,再噴射出來,就產生了語音。專業的歌手發出樂音時,還要使用胸腔,而不僅僅是喉嚨。
對樂器和人的發音原理的研究是從激勵器、共鳴器、輻射器三大部件來入手,以求得最高的發音效率和優美的音色。簡單的響器,其激勵、共鳴、輻射合為一體,如鑼;電子合成樂器則用電路來模仿激勵器和共鳴器,輻射器就是揚聲器。
音樂家以音強、音高、音色(或稱為音品)作為樂音三大要素,客觀上決定任一聲音的物理參量是聲壓、時程和頻譜。對樂音而言,聲壓決定它的強度或響度感覺,頻譜決定它的音色。音高在聲學上稱為音調,由頻譜中的基音頻率決定。若基音消失,音調的感覺不變,由諧音系列的結構決定。
2、聲波的傳播

聲速聲速也稱音速也稱音速,即聲音在介質中傳播之速度。音波可以在固體、液體或是氣體介質中傳播,介質密度愈大,則音速愈快。在空氣中,音速又會依空氣之狀態(如濕度、溫度、密度)不同而有不同數值。如攝氏零度之海平面音速約為 331.5m/s(1193 km/h);一萬米高空之音速約為 295m/s(1062 km/h);另外每升高1攝氏度,音速就增加0.607m/s。

1635年有人用遠地槍聲測聲速,以后方法又不斷改進,到1738年巴黎科學院利用炮聲進行測量,測得結果折合為0℃時聲速為332米/秒,與目前最準確的數值331.45米/秒只差0.15%,這在當時"聲學儀器"只有停表和人耳和情況下,的確是了不起的成績。經過嚴格推導,聲速公式為:

式中ρ為介質的密度;K稱為體積彈性模量,dp、dρ分別為壓強和密度的微小變化。對于液體和固體,K和ρ隨溫度和壓強的變化很小,主要是隨介質不同而異,所以在同一介質中,聲速基本上是一個常數。對于氣體,K和ρ隨壓強和溫度的變化很大,故按體積彈性模量的定義,以用下式計算更為方便:

聲波能量產生了以后是要傳播的,因為根據聲的定義,聲就是擾動的傳播。從我的嘴巴到你的耳朵,中間的這個過程,是不是說就是一個直線過去?不是這么簡單,它實際上有各種各樣的渠道過去,從地面反射過去,從天花板反射過去,從我背后的墻反射過去,像這樣的一個復雜的環境,聲波傳到你的耳朵,變化已經非常大了,到底變成了什么樣,就需要研究。
如果不能研究清楚,建造了一個音質很糟的廳堂,這邊講的話,那邊聽到的聲音可能很響,但并不能聽懂說話人說的什么意思,傳播的效果就沒法控制,所以說就需要先認識聲波是怎么傳播的。

(1) 直達聲:是室內任一點直接接收到聲源發出的聲音。它是接收聲音的主體,又叫主達聲,不受空間界面影響,其聲強基本上是與聽點到聲源間距離的平方成反比衰減。

(2) 早期反射聲:指延遲直達聲50ms以內到達聽聲點的反射聲,對聲音起到增強作用;在大空間內,因反射距離遠,易形成回聲,產生空間感。

(3) 混響聲:聲波經室內界面的多次反射,遲于早期反射聲到達聽點的聲音,直至聲源停止發聲,但由于多次反射,聽點仍能聽到,故又稱余聲,影響聲音的清晰度。

混響時間:在一個聲場中,一個聲音的聲壓級衰減60dB所需要的時間,用T60來表示。單位:秒(s)
T60=0.16V/Sa (賽賓公式)
式中:V為聲場總容積,S為聲場的表面積,a為聲場的建筑裝飾材料的平均吸聲系數。

例:某段音樂的聲壓級為90dB,此時中止音樂,音樂聲逐漸減弱,當其聲壓級從90dB降至30dB時可需時1.2秒,那么,此房間的混響時間為1.2秒。
3、聲波的接收
聲波的接收首先要研究聽覺的機理,它是聲學里面最讓人感興趣的課題之一,因為它直接與人有關。人感受到聲音首先是通過耳朵,所以聽覺一直是一個非常熱鬧的研究方向,也是聲學里唯一得了諾貝爾獎的一個分支學科。整個來說,聽覺機理包括幾個學科的交叉。

首先外面有聲音傳播進入到耳朵里來,這是一個物理的過程:聲波從外面的一個擾動,通過傳播,進入了人的耳朵,然后在鼓膜上產生了響應,帶動了耳膜后的一個耳骨,耳骨的運動在耳蝸中,也就是在一個像蝸牛形狀的這么一個東西里面,產生一個響應,耳蝸周圍有一些毛細的細胞,會刺激里面的皮層,然后產生電的響應,到了這樣的層次,就變成了一個生理的過程,也就是說聲波傳播到了耳蝸這個地方,就到了一個生理聲學研究的范疇。

然后再進到里面,聲信號變成了電信號,進入人的大腦,產生的響應就變成了心理的東西,所以它后面是心理聲學研究的范疇,所以這么一個聽覺的機制是從物理的到生理的,然后到心理的,是交叉性非常強的一個學科,也是很容易出成果的一個地方。

當然我們現在研究聲波的接收,更多的時候不是用耳朵,而是用話筒,專業上稱為傳聲器,研究怎么樣把聲音信號變成電信號,要研究聲和電之間是怎么樣轉變的,什么樣的材料會產生這種變化,什么樣的結構能夠有效地實現這種變化。
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