声波的产生、传播及接收基础知识

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。

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。

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。

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。