02_重识声音

关于声音的知识，记得没错的话，是属于初中物理的内容。为了学好音视频，我们有必要重新温习一下声音的相关知识。需要提醒的是：本文的GIF动态图比较多，建议选择在网络较好的环境中阅读。

产生

声音（Sound），是由物体的振动产生的。一切正在发声的物体都在振动。

• 我们说话的时候，是声带在振动。一边说话一边用手捂住喉咙，就能感受到声带的振动

  
  剖面图

发声

• 蜜蜂飞过时发出嗡嗡嗡的声音，是翅膀在快速振动

蜜蜂

声波

本质

关于声音的本质，推荐一份不错的参考资料：可汗学院的《Introduction to sound》。

以扬声器为例子，扬声器发声时是振膜在振动。下图是放了块小纸片到振膜上，振膜的振动导致小纸片“跳起了街舞”。

扬声器

振膜的振动会导致振膜旁边的空气振动，然后导致更大范围的空气跟着一起振动，最后耳朵旁边的空气也开始振动。

空气振动

空气的振动带来了动能（Kinetic Energy），能量传入了耳朵中，最后就听到了声音。

动能

所以，扬声器可以通过空气来传播能量，而不是传播空气本身。

能量在空气中传播

如果传播的是空气，那么表现出来的形式就不是声音，而是风（Wind）。

风

声音与波有着相同的关键特征：可以通过介质传播能量，而不是传播介质本身。

• 因此，我们也把声音称为声波

• 声音的传播介质可以是气体、液体、固体，比如：2个人面对面交流时，声音是通过空气传播到对方耳中

疑惑

学到这里，就可以解开一个很多人长期以来的疑惑了：为什么自己录下来的声音和平时说话的声音，听起来会不太一样？

听起来不一样的声音

• 当自己说话的时候，实际上自己听到了2个声音，分别来自2种不同的传播介质
  • 图①：声波 → 空气 → 耳朵
  • 图②：声波 → 血肉、骨骼等介质 → 耳朵
• 录制声音时
  • 图③：声波 → 空气 → 录音设备
• 当听自己录下来的声音时，自己只听到了1个声音
  • 图④：声波 → 空气 → 耳朵
• 所以，平时别人耳中听到的你说话的声音，就是你录音中的声音

人耳

另外，人耳又是如何听到声音的呢？大概过程是：声源 → 耳廓（收集声波） → 外耳道（传递声波） → 鼓膜（将声波转换成振动） → 听小骨（放大振动） → 耳蜗（将振动转换成电信号） → 听觉神经（传递电信号） → 大脑（形成听觉）

人耳结构

振幅

如果只关注单个空气分子，可以发现：它来回振动的轨迹，就是一个正弦或余弦函数的曲线图。

单个空气分子

横轴：代表时间。

横轴

纵轴：代表空气分子来回振动时产生的位移。

纵轴

蓝色的中心线：代表该空气分子的未受振动干扰时的位置（平衡位置，Equilibrium Position）。

平衡位置

从平衡位置到最大位移位置之间的距离，叫做振幅（Amplitude）。

振幅

周期

空气分子完全来回振动一次所花费的时间，叫做周期（Period），单位是秒（s）。

一个周期 一个周期

频率

物体每秒来回振动的次数，叫做频率（Frequency），也就是周期分之一。

• 单位是秒分之一（1/s），也称为赫兹（Hz）
• 比如440Hz代表物体每秒来回振动440次
• 因此，频率用来表示物体振动的快慢

理论上，人类的发声频率是85Hz ~ 1100Hz，人类只能听见20Hz ~ 20000Hz之间的声音。

• 低于20Hz的称为：次声波（Infrasound）
• 高于20000Hz的称为：超声波（Ultrasound）

人和动物的发声和听觉频率

音调

频率越高，音调就越高。

频率高 → 音调高

频率越低，音调就越低。

频率低 → 音调低

通常女生讲话时，声带振动的频率就比较高，因此我们听到的音调就高，有时会有点刺耳，而男生讲话时，声带振动的频率就比较低，因此我们听到的音调就低，显得比较低沉。

响度

当提高声音的响度（音量，大小）时，振动的幅度会变大。

提高音量

我们常用dB（分贝）来描述声音的响度。

分贝	情景
0	刚能听到的声音
15以下	感觉安静
30	耳语的音量大小
40	冰箱的嗡嗡声
60	正常交谈的声音
70	相当于走在闹市区
85	汽车穿梭的马路上
95	摩托车启动声音
100	装修电钻的声音
110	卡拉OK、大声播放MP3的声音
120	飞机起飞时的声音
150	燃放烟花爆竹的声音

音色

概念

音色（Timbre）是指声音的特色。

• 不同的声源由于其材料、结构不同，则发出声音的音色也不同
• 我们之所以能够根据声音区分出不同的乐器、不同的人，都是因为它们的音色不同
• 不同音色的声音，即使在同一响度和同一音调的情况下，也能让人区分开来

微信的声音登录功能，就是基于不同人不同音色的原理，为每一个人私人定制一把声音锁。

声音锁

原理

通常声源的振动产生的并不是单一频率的声波，而是由基音和不同频率的泛音组成的复合声音。

• 当声源的主体振动时会发出一个基音（基本频率，基频，Fundamental Frequency）
• 同时其余各部分也有复合的声源，这些声源组合产生泛音
• 泛音（Overtone）其实就是物理学上的谐波（Harmonic）

音调是由基音决定的，而音色主要取决于泛音。

从下图可以看得出来，音色不同，波形也就不同。

不同乐器的波形

下图形象生动地展示了：声音的最终波形是由多个不同的波形组合而成的。

噪音

物理学角度

从物理学角度上讲，噪音（噪声，Noise），是指声源作无规则振动时发出的声音（频率、强弱变化无规律）。

环境保护角度

从环境保护角度上讲，凡是妨碍人们正常休息、学习、工作的声音，以及对人们要听的声音产生干扰的声音，都可以称之为噪音。

影响

长期的噪音可以影响人的身心健康。

• 噪音可能导致各种不同程度的听力丧失

  • 长时间处于85分贝以上的噪音可以影响人的听力
  • 响于120分贝的噪音可以使人耳聋

• 噪音还会提高人体内皮质醇的分泌，进而导致高血压、心脏病和胃溃疡

• 噪音影响心血管的健康、睡眠的品质、甚至胎儿的发育

• 噪音所引起的听力损伤、心血管伤害，也会造成生殖能力、睡眠、心理的影响

讨厌的声音

大多数人都无法忍受指甲划过黑板的声音，甚至一想到都会觉得烦躁。

指甲划过黑板

研究

研究表明：

• 这种让人讨厌的噪音和婴儿啼哭及人类尖叫的声音有着相同的频率
• 人耳对2000Hz ~ 4000Hz范围内的声音是难以接受的
• 而指甲刮黑板声音的特殊之处，就在于它的频率，正好处于2000Hz ~ 4000Hz频段内

大脑中的杏仁核（Amygdala）在听到指甲刮黑板的声音时，会异常兴奋，于是霸道地接管了大脑听觉的任务，向听觉皮层（Auditory Cortex）发出痛苦的信息。听觉皮层是属于大脑皮层（大脑皮质，Cerebral Cortex）的一部分。

杏仁核

五大人类讨厌的声音

第一：刀子刮玻璃瓶声。

第二：叉子刮玻璃声。

第三：粉笔刮黑板声。

第四：尺子刮玻璃瓶声。

第五：指甲刮黑板声。