【原】声音的三要素

cansm0504lxy 2020-03-01

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自然界中存在着各种各样的声音。人能够听到的声音，叫做“可听声”。它大致分为三类：语音、乐音和噪音。

声音是怎样产生的呢？我们来看下面的实验。

在一个扬声器的纸盆上放一些通草球，当扬声器发声时，通草球在“跳舞”。这说明扬声器发声时纸盆在振动（图1）。一切发声的物体都在振动着，声音是由于物体的振动而产生的。振动的物体叫做“声源”。

把扬声器放进一个密封的玻璃罩内，然后把罩里的空气逐渐抽出来。随着玻璃罩里的空气越来越稀薄，扬声器的声音也越来越小，最后完全听不到了。这时扬声器纸盆上的通草球还在“跳舞”，说明扬声器还在发出声音（图2）。这个实验告诉我们，想听到声音，离开空气是不行的。空气是传播声音的媒质。实际上，水和其他许多液体，钢铁和其他许多固体也都能传播声音，它们都是传播声音的媒质。弹性媒质的振动引起我们的听觉，这就是声音。

怎样描述一种声音呢？声学上是从“音调”、“响度”和“音色”三方面进行的，它们统称为声音的三要素。

一.音调

孩子的声音清脆响亮，成人的声音则比较低沉、浑厚。通常人们把声音的高低叫做音调。

音调是由什么决定的呢？实验表明：人对音调的感觉是由声源的振动频率决定的。声源振动频率高，发出的声音音调就高；声源振动频率低，发出的声音音调就低。图3a为低音调波形图，图3b为高音调波形图，二者的振幅相同，频率不同。【注：频率，单位时间间隔震动次数，单位:赫兹】

图3

人的声带发出的声音，频率是在64赫兹（最低的男低音）到1300赫兹（最高的女高音）之间。可听声的频率范围大约在20—20，000赫兹之间。频率低于20赫兹的声音叫“次声”；高于20，000赫兹的叫“超声”。次声和超声都是人耳听不到的。

二.响度（音量）

飞机的起飞声震耳欲聋，而蚊子声只有当它飞到耳边时才能听到。生活中人们通常把声音的强弱程度叫做“响度”。在音响设备中，声音的大小是由“音量”旋钮控制的，因此响度也叫音量。

实验表明，声音的响度是由声源的“振幅”决定的（图4）。“振幅”就是声源震动的幅度，或者说是声源震动的强烈程度。图4所示为同一个声音，但振幅不同，图4a振幅大，即振动强，图4b振幅小，即振动弱。我们会感觉a比b更响亮。

图4

声源的振幅越大，声波传递的能量越多。在声学中，把单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量叫做“声强”，单位是“瓦特/平方米”。人对响度的感觉实际上与“声强”这个物理量有关。人耳能听到的最小声强约0.01瓦特/平方米，能忍受的最大声强约1瓦特/平方米。由于声强变化范围很大，数量级可以相差很多，因此通常用它的对数表示，叫做“声强级”，单位是“分贝”。

各种声源发出的声音的声强级和所对应的响度，如表所示。需要注意的是，“响度”虽然与“声强”有关，但不能用“声强”来代替。因为“响度”是从生理角度提出的人对声音的主观感觉的量，不同的人对同一声音的响度感觉是不同的，高音喇叭使一般人感到难受，但耳聋的人却感觉它的响度正常。“声强”则是一个客观量，不依人的感觉而改变。

声源	声强级（分贝）	响度
树叶微动，低语	10	极轻
轻声交谈	30	轻
一般交谈，柔和音乐	50	正常
大音量收音机，繁忙的交通要道	70	响
卡车、警笛、高音喇叭	90	极响
雷声、放炮	110～120	震耳

三.音色（音品）

在许多人同时讲话的嘈杂声中，我们可以听出朋友的声音；不同的乐器，即使它们发出的声音音调和响度都相同，我们凭听觉也可以把它们区分开来。这是为什么呢？

原来，生活中的许多声音并不是单一频率的纯音，而是由频率和振幅各不相同的许多纯音组成的复音，其中一个起主要作用的纯音，叫做“基音”，其余的叫做“泛音”。两个基音相同的复音，由于泛音的个数、每个泛音的频率和振幅都不同，因此造成它们的波形也不相同。图5所示为100赫兹钢琴声和黑管声的波形。

图5

图6

我们还可以把组成复音的每一个纯音在 “声谱图”上表示出来（图6）。不同的声音，基音的位置和响度不同，泛音的个数、频率和响度也不同。观众可以从声谱图大致了解这一声音是由哪些成分组成的。正是由于每种乐器有着自己独特的声谱，我们才能把它的声音从众多乐器中区别出来。每个声谱图表示一个复音。图6所示为100赫兹的钢琴和黑管的声谱图。从图中可以看出，它们的基音都是100赫兹且振幅大体相等。但是泛音各不相同。

声谱图对分析声音有重要作用。根据某种乐器的声谱图，可以用人工方法合成一种近似的声音来模仿它，这便是电子乐器的基础。根据人的语音声谱图，也可以用人工方法合成一种“人造语言”，这便是语音识别系统和声控计算机的基础。

中国科技馆一期展厅有一个展品叫做《音调，响度和音色》，就是介绍关于声音的三要素知识的。

展品由声源部分和显示部分组成。声源有两个，一个是操作台上的电子琴；另一个是话筒，观众可以用它输入自己的声音。

显示部分有两种表示方法。

一种是用示波器显示，横坐标为时间，纵坐标为振幅。当一个声音输入时，它的屏幕上便显示出这个声音的波形。频率越高，曲线越密集，表示这个声音的音调越高；响度越大，波形的振幅也越大；选用不同的乐器，按同一琴键，波形不同，因此波形代表音色。

另一种表示方法是面板上方由发光二级管组成的坐标平面，纵坐标代表声强级，单位是分贝。响度越大，谱线越高。横坐标代表频率，单位是赫兹。基频的位置越靠右，表示声音的音调越高。坐标平面上高矮不一的竖线，表示这个声音是由哪些成分组成的，这些竖线的总合表示这个声音的音色。这张图叫做某一声音的“声谱图”。坐标的右下角，还同时用数字显示出声音和基频频率数值，单位是赫兹。