声音的物理属性

二、声音的物理属性

在生活中,人的听觉是认识客观世界的手段之一,也就是说,人可以从周围环境的声音中获得信息。

[信息链接]关于声音的物理性,我国著名美学家朱光潜先生有一段精彩描述：

“声起于物体的震动。物体的震动酿成空气的震动,再由空气的震动引起耳的鼓膜的震动,成听觉而为声。这种震动如风起水涌,起伏成浪,所以有‘声浪’或‘音波’的称呼。在物由震动而生‘声浪’,在知觉由声浪刺激而生声觉。声浪如水浪,有长短,高低、疏密各种分别,声的各种不同就由此起来的。”

物理学和声学验证：物体的某一部分振动,会以一定速度在固体、气体、液体等媒介质内传播开来,这种传播过程,称为波动,简称波。这种物体振动被听觉器官感受到就形成声波。振动体在每秒中内完成全振动的次数,称为振动数,单位是次/秒。振动数在声学上称为频率,常用的单位是赫兹。

[信息链接]对于声音的物理性,古人也曾有过精辟阐述。

《礼记·乐记》：“感于物而动,故形于声。”这说明古人已认识到声音来源于振动的真谛。东汉时期的班固曾自问自答：“声音者何?谓声者,鸣也。”(《白虎通德论·礼乐》)。韩愈在《送孟东野序》中说得更形象：“大凡物不得其平则鸣,草木之无声,风挠之鸣；水之无声风荡之鸣……金石之无声,或击之鸣。”

(一)声波

当物体振动时,声音通过媒质传播,激发周围的空气做一疏一密的波动。声波有三个主要特性：频率、波长、波速。声波在空气传播时为纵波,即媒质微粒的运动方向与波传播的方向在同一直线上。

声波是一切可发声的物体(声源)在振动时压缩空气,使空气的密度形成疏密相间的状态,并由声源向四面八方传播形成的。声波传入人耳,使鼓膜振动,就引起声音的感觉。

由于空气质点的振动方向与声波的传播方向在同一直线上,所以声波是纵波。声波不仅能在气体中传播,也能在固体和液体中传播。声波传播的空间称为声场,声波在传播时的特点是随声场条件的变化而变化的。声波遇到障碍物就会被反射,反射回来的声波传入人耳,人们就听到回声。反射回来的声波在原来的声波消失后,如果至少经过0.1秒才传入人耳,人们就能把回声和原来的声音区分开。如果反射声波的障碍物距离听觉器官很近,回声就跟原来的声音混在一起,使原来的声音得到加强。

声波在室内传播时,要被墙壁、天花板、地板等障碍物反射,每反射一次还要被障碍物吸收一些,这样,当声源停止发声后,声波在室内要经过多次反射和吸收才消失。这就是为什么声源停止发声后,声音还要继续一段时间的原因。另外,声音还能发生共振现象,这叫做共鸣。

声源振动时压缩邻近的空气,使这部分空气变得疏密相间。这种状态由声源向外传播形成声波,两个相邻的密部中央或疏部中央的距离为一周,这也就是波长。每秒钟振动的周数为频率。声波传播的速度在0℃时为每秒331米。

(二)声速

声波的速度取决于介质的弹性和密度。介质的弹性愈大,声速愈大；介质的密度愈高,声速则愈小。空气的密度和弹性随着温度的变化而改变,因此,声音在空气中的速率也随温度而变化。每升高摄氏一度,声波速度约增快0.5米/秒。正因为声速受媒质的影响,所以声波在空气中的速度并不快,而光速大约比它快90万倍。这就是为什么打雷时,我们总是先看到闪电,再听到雷声的原因,其实它们是同时发生的。

人耳对声音的感觉主要有三种：一是响度,它表示声音的强弱,实际就是声波振动的幅度。人的声感一般在16赫到2万赫之间,超过2万赫的声波是超声,低于15赫则是次声,都是非人耳所闻的范围。二是音调,它主要由发声体振动的频率决定。声源物体振动得越快,声调就越高；振动越慢,声调越低。比如男性讲话的频率平均为130赫,女性则为260赫。因此女性说话的声音一般比男性声调高。三是音色,也称音品,指由泛音的数量及强度所确定的复杂声的一种特性。

(三)响度

响度是声所产生的听觉强度的量度,是声波振动的幅度。通常用来测量强度的单位是分贝。人耳所接受的声的响度约与声强的对数成正比：当声强很弱时,就听不到声,声强太强时又令人厌烦而且对耳朵有危害。

声音除了在声场中的传播具有一定的可塑性即空间感以外,还有三个基本特性在视听艺术中被广泛加以运用,即音量、音高、音色。

(四)音量

声波振幅的大小使我们对声音产生强弱的感觉,也就是一般说的声音的“响”和“轻”。

人们生活环境里的声音有音量的变化,比如人说话的声音一般在60分贝左右(但是随着情绪的变化或情况的需要,人声的响度也有变化),而交通繁忙的街道由于噪声较大,则会影响到人的生理和心理状态。特殊的环境在响度上也有特征,比如医院里的病房是安静的,而市场则是嘈杂的,所以说音量可以具有艺术表现力。

声波是能量传递的一种形式,在传播的过程中,它的振幅会逐渐衰减。一般在生活中往往把振幅同声源的距离联系在一起,与声源的距离近,似乎响度就大些,但是响度和声源的远近关系是相对的。耳边的细语固然响度很小,但是人们还是明显地知道这是在耳边,因为声音在传播的过程中,还会遇到声场里的其他的因素来改变它的质量,如反射、折射和衍射,尤其是传播介质(比如空气)密度的变化等。

(五)音高

物体在振动时发出声音的频率就是音高。每一种物体都有不同的音高,音乐是依靠不同的固定频率的音高来形成乐音的。每个人由于发声机体的差异而有着不同的发声音域,音乐正是利用这种特点形成多声部即不同间域的合唱的,人们在生活中辨别不同的人时,声音也是其中一个很重要的因素。在一些声音艺术作品中,由于人物未能形成多声部的声音,有时甚至会出现两人的音域相同,使得受众很难从声音上分辨他们。

(六)音色

不同的乐器即使它们的响度和音高都相同,人们也能把它们分辨开,这是因为它们的音色各不相同。乐器发出的声波是由频率和振幅不同的许多简谐波组成的,这些声波频率成整数倍,其中频率最低的声音叫基音,其余的叫泛音。音色是由泛音的多少、泛音的频率和振幅决定的。

不仅乐器具有特定的音色,各种声源包括人由于发声机制的差异也具有特定的音色。所以音色不仅可以用来识别人物,而且能够表达一定的情绪或性格。所以音色在人声的构成方面,即塑造人物的声音形象方面起着相当重要的作用。

此外,没有固定音高的噪声也是视听媒介中的一个组成部分,它有时也会表现出一种和谐的结构。从物理学来看,乐音和噪音是有着固定含义的,但在生活中以及声音艺术里,它们之间没有明显的界线。

视听艺术中的声音是一个复杂的声波系统,它提供了音量、音高和音色,这三个要素既可以区别和辨认声源,又可以相互作用来诉诸于人们的感知经验,最终它们结合起来构成声音的总体。

现实空间里的声音还有大小、距离、运动、方位和方向等特点。当声波自声源向四周辐射时,由于面积不断扩大、声能分散,声能量不断地转化为其他形式的能量,因此声强一般都随着传播距离的增加而衰减；声波在传播过程中,界面的反射、介质的不均匀而产生的散射等因素,也会使声波的声强衰减；此外,白天随着地面变暖,声波向上折射；日落之后地面迅速变冷,声波就相应地向下偏转。这些条件都使得人们对声音的感受有一定距离感。

声音的方位感与运动感也成为人们生活中习以为常的声音经验。人的双耳就像一个频率分析仪,当从声源传来的声波被人耳接受时,由于两只耳朵的位置不同,它们所接受的声波相位相反,因此人们可以准确地判断声源相对于双耳的方位。而且,从不同空间位置的声源传来的声波被我们双耳接收时有一个相位差,因此我们的听觉感知系统使大脑凭借相位差来把听觉的注意力集中在某一声源上。所以在生活中人们经常可以在众多嘈杂声中分辨出自己所感兴趣的声音。

声音的运动感则是由不断变化的方位感所造成的,因为空间可以塑造声音的形象。在生活中,人们都有意无意地积累了丰富的声音混响的经验：

[信息链接]例如,我们经常遇到的一些先天并没有一副好嗓子的“澡堂子歌唱家”、“走廊歌手”,他们酷爱音乐、喜欢唱歌,但平时不太愿意唱,而一旦进了浴室、水房之类的地方,却总是喜欢引吭高歌,自我感觉十分良好。原因就在于这些地方空间的四壁往往是刚性的磁砖之类的材料,这些材料反射声强,加上空气潮湿、空气密度大,声音的传播条件好,这些条件加强了这些人的歌声,听起来自然比他们天生的嗓音要好得多。

在生活里,空间里的声音条件往往是和人们的思想感情联系着的。比如,一个人要背井离乡、外出谋生,当他最后一次站在那生活了多年而现在已空空的房间里和过去诀别时,这时即使有一点动静,也会在空房间里引起很强的混响。结合着他那离乡的愁绪,空荡荡的房间和强烈的空间混响会使他产生了“人去楼空”的情结；相反,如果他去看一间刚属于他的新居,尽管里面也是空空荡荡的,这时的混响和他那急切想乔迁新居的心情结合起来,会使他感到十分激动。这时,物理的声学就变成了人的思想感情。

思考题

1.声音分为哪几种形式?

2.声音的物理属性有哪些?