（一）声波的基本性质

1.声波和声音

声波与声音是两个有联系，又有区别的概念。

（1）声波。

物体的振动会引起周围媒质质点由近及远的声源。传播声波的物质称为媒质。扬声器发声时，会引起周围空气的振动而产相同。因而，声波是一种纵波。

20Hz以下的振动称为次声；高于20kHz的振动称为超声；20Hz～20kHz的声振称为音频声。

（2）声音。

声音是声源振动引起的声波传播到听觉器官所产生的感受。可见，声音是由声源振动、声波传播和听觉感受3个环节所形成的。

2.声速、波长和频率

声波能在空气、液体和固体等媒介中传播，但不能在真空中传播。

（1）声速。

声速在媒介中每秒钟内传播的距离称为声速，用符号c表示，单位为m/s，声速与媒介的密度、弹性等因素有关，而与声波的频率和强度无关。当温度变化时，由于媒介特性的变化，声速也会发生变化。

当温度为15℃时，声波在空气中的声速为340m/s、在水中的声速为1450m/s，在钢中的声速为5100m/s。当温度升高时，声速略有增加。

（2）波长和频率。

声波在一个周期内传播的距离称为波长，用符号λ表示，单位为m。声波在每秒钟内周期性振动的次数称为频率，用符号f表示，单位为Hz。声速、波长和频率之间的关系为

可见，声波的频率越高，则其波长越短。

3.声压、声压级

声波的强度可用声压、声压级来定量描述。

（1）压力单位。

从物理学角度讲，空气分子对地球表面的撞击力，称为“大气压力”，而把单位面积所受到的撞击力叫作“压强”。标准大气压力，是指摄氏零度（0℃）条件下，在纬度45度的海平面上，所受到的大大气力（干燥空气）称“标准大气压力”。经测量，标准大气压力等于760mmHg/cm2，即每平方厘米承受760mmHg的压力。

1个大气压力=760mmHg=760×0.133kPa≈100kPa＝100000Pa=0.1MPa

一个标准大气压力相当于每平方厘米承受1.0336kg，约1千克压力。

一个标准大气压力相当于每平方厘米承受约1千克压力，约9.8牛顿压力。

一个标准大气压力相当于每平方厘米承受约100kPa，或十万Pa，或0.1MPa。

衡量压力的单位，习惯使用毫米汞柱（mmHg）也称托耳（Torr），国际通用帕（Pa）、千帕（kPa）、兆帕（MPa）。

（2）声压。

大气静止时存在着一个压力，称为大气压强，简称气压。当有声波存在时，局部空间产生压缩或膨胀，在压缩的地方压力增加，在膨胀的地方，压力减小，于是就在原来的静态气压上附加了一个压力的起伏变化。这个由声波引起的交变压强称为声压。

声压的大小表示声波的强弱。在一定时间内，瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压。用电子仪表测量得到的通常是有效声压，人们习惯上讲的声压实际上也是有效声压。声压的国际单位是“Pa（帕）”，1大气压=105 Pa=10万Pa。声压与大气压相比是极其微弱的。正常人能听到的最弱声音约为2×10-5 Pa，20μPa，称为参考声压，用符号Pr表示。

（3）声压级。

单位面积上接收到的声压大小可用声级计测量。声压级定义如下：

式中Pe为声压有效值，Pr为参考声压，是人耳能听到的最小的声音，即20μPa，参考声压级为0dB。

声压级与频率无关，是一种客观测量的结果。人耳听觉的听闻阈值（最低声压级）为0dB，人耳听觉最大声压级（痛阈）120dB，人耳听觉动态范围为120dB-0dB=120dB，可用仪表测量。

（4）环境噪声。

①城市5类环境噪声标准值如下：

0 类标准适用于疗养区、高级别墅区、高级宾馆区等特别需要安静的区域。位于城郊和乡村的这一类区域分别按严于0类标准5分贝执行。

1 类标准适用于以居住、文教机关为主的区域。乡村居住环境可参照执行该类标准。

2 类标准适用于居住、商业、工业混杂区。

3 类标准适用于工业区。

4 类标准适用于城市中的道路交通干线道路两侧区域，穿越城区的内河航道两侧区域。穿越城区的铁路主、次干线两侧区域的背景噪声（指不通过列车时的噪声水平）限值也执行该类标准。

② 常见的环境噪声。

噪声在20dB（分贝）以下，一般认为环境是非常安静的；当然，噪声在15dB以下，我们可以认为它属于“死一样的寂静”；噪声在60dB以下为无害区，60～110dB为过渡区；110dB以上是有害区。

人低声耳语约为30dB

安静环境的本底噪声约为50dB

面对面交谈说话声约为40～50dB

大声说话声为60～70dB

电影院里电影人物对白声约为80dB

电视机伴音可达85 dB

汽车噪音为80～100dB

公路和铁路交通干线边的噪声≥80dB

迪斯科厅的音响声≥110dB

电锯声≥110dB

喷气式飞机起飞时现场的噪声约为130dB

③ 噪声造成的人体伤害。

如果人长时间遭受强烈噪声作用，噪声造成的人体伤害：

A.强的噪声可以引起耳部的不适，如耳鸣、耳痛、听力损伤。据测定，超过115dB的噪声，如无意外，一分钟就会使人暂时性耳聋。据临床医学统计，若在80dB以上噪音环境中生活，造成耳聋者可达50%。医学专家研究认为，家庭噪音是造成儿童聋哑的病因之一。

据统计，当今世界上有7000多万耳聋者，其中相当部分是由噪声所致。专家研究已经证明，家庭室内噪音是造成儿童聋哑的主要原因，若在85dB以上噪声中生活，耳聋者可达5%。

B.使工作效率降低。研究发现，噪声超过85dB，会使人感到心烦意乱，人们会感觉到吵闹，因而无法专心地工作，结果会导致工作效率降低。

C.损害心血管。噪声是心血管疾病的危险因子，噪声会加速心脏衰老，增加心肌梗死发病率。医学专家经人体和动物实验证明，长期接触噪声可使体内肾中腺分泌增加，从而使血压上升，在平均70dB的噪声中长期生活的人，可使其心肌梗死发病率增加30%左右，特别是夜间噪音会使发病率更高。调查发现，生活在高速公路旁的居民，心肌梗死率增加了30%左右。调查1101名纺织女工，高血压发病率为72%，其中接触强度达100dB噪声者，高血压发病率达15.2%。

D.噪声还可以引起如神经系统功能紊乱、精神障碍、内分泌紊乱甚至事故率升高。高噪声的工作环境，可使人出现头晕、头痛、烦躁、失眠、多梦、全身乏力、记忆力减退以及恐惧、易怒、自卑甚至精神错乱。在日本，曾有过因为受不了火车噪声的刺激而精神错乱，最后自杀的例子。美国有一项调查：长期工作在噪声为110dB环境中的工人都有离婚史。

E.干扰休息和睡眠。休息和睡眠是人们消除疲劳、恢复体力和维持健康的必要条件。但噪声使人不得安宁，难以休息和入睡。当人辗转不能入睡时，便会心态紧张，呼吸急促，脉搏跳动加剧，大脑兴奋不止，第二天就会感到疲倦，或四肢无力，从而影响到工作和学习，久而久之，就会得神经衰弱症，表现为失眠、耳鸣、疲劳。

F.噪声对视力的损害。人们只知道噪声影响听力，其实噪声还影响视力。试验表明：当噪声强度达到90dB时，人的视觉细胞敏感性下降，识别弱光反应时间延长；噪声达到95dB时，有40%的人瞳孔放大，视模糊；而噪声达到115dB时，多数人的眼球对光亮度的适应都有不同程度的减弱。所以长时间处于噪声环境中的人很容易发生眼疲劳、眼痛、眼花和视物流泪等眼损伤现象。(www.daowen.com)

（7）对女性生理机能的损害。女性受噪声的威胁，还可以有月经不调、流产及早产、性机能紊乱等。专家们曾在哈尔滨、北京和长春等7个地区经过为期3年的系统调查，结果发现噪声不仅能使女工患噪声聋，且对女工的月经和生育均有不良影响。另外可导致孕妇流产、早产，甚至可致畸胎。国外曾对某个地区的孕妇普遍发生流产和早产作了调查，结果发现她们居住在一个飞机场的周围，祸首正是那飞起降落的飞机所产生的巨大噪声

4.反射、绕射和干涉

声波在传播中会产生反射、绕射和干涉等现象，并具有一定的传播规律。

（1）反射。

声波从一种媒质进入另一种媒质的分界面时，会产生反射现象。例如声波在空气中传播时。若遇到坚硬的墙壁，一部分声波将反射。如图1-9-1（a）所示，反射角等于入射角，反射声波好像从墙后的另一声源s’发射出来一样，s’被称为声像。声像s’，与声源s到墙壁的距离相等。

当声波遇到凹面墙时，其反射现象如图1-9-1（b）所示。声源s发出的声波经凹面墙反射后集中到s’点，称为声波的聚焦。当声波遇到凸面墙时，将产生扩散反射现象，如图1-9-1（c）所示。

图1-9-1　声波的反射

声波的反射与折射现象是听音环境设计中需要考虑的问题。在演播室、听音室、歌剧场和电影院的四周总是建造成凹凸不平的墙面，就是为了使声波产生杂乱反射，产生均匀声场，并让墙壁吸收一部分能量，使这些空间具有适当的混响时间。

（2）绕射。

当声波遇到障碍物时，会有一部分声波绕过障碍物而继续向前传播，这种现象称为绕射，又称衍射。绕射的程度取决于声波的波长与障碍物大小之间的关系。若声波波长远大于障碍物线度尺寸，则绕射现象非常显著；若声波波长远小于障碍物线度尺寸，则绕射现象较弱，甚至不发生绕射。因此，对于同一个障碍物，频率较低的声波较易绕射，而频率较高的声波不易绕射。

当声波通过障碍物的洞孔时，也会发生绕射现象。当声波波长远大于洞孔尺寸时，洞孔好像一个新的点声源，声波从洞孔向各个方向传播。当声波波长小于洞孔尺寸时，只能从洞孔向前方传播。

由于反射和绕射的共同作用，从没有关严的门缝里传播到房间中的声波几乎和门打开时的不相上下。

（3）干涉。

干涉是指媒质的同一部分能够同时传播任意多个不同的声波，这些声波独立传播，彼此互不干扰。在任一时刻，媒质中微粒的位移是该时刻每一个单独声波对该微粒产生位移的代数和。因此，多个声源发出的声波，在传播过程中会产生叠加。

如果两个声波的频率相同，相位相同，则叠加会使声波增强；如果两个声波的频率相同，相位相反，则叠加会使声波互相抵消；如果两个声波频率相同，相位不同，则叠加会使声波在有的地方增强，有的地方削弱。若频率、相位都不同，则叠加是复杂的。

（二）听觉的基本特性

生理声学认为，听觉形成的基本机理可以这样描述；由声源振动发出的声波，通过外耳道，鼓膜和小听骨的传导，引起耳蜗中淋巴液和基底膜的振动。并转换成电信号，由神经元编码形成脉冲序列，通过神经系统传递到大脑皮层中的听觉中枢，产生听觉，感受到声音。

由人耳和大脑所组成的听觉系统真是一个奇妙的机构。它能够接收频率为20Hz～20kHz的音频；可以感受声压为的声波；具有判别响度、音调、音色和方位的本领；还能从本底噪声环境中听出某些需要的声音……至今还没有一种物理仪器能有人类听觉机构那样惊人的特性。听觉的这些基本特性决定着人们对声音的主观感受。

1.可闻声、听阈和痛阈

可闻声、听阈和痛阈决定了人耳的听觉范围。

（1）可闻声。

可闻声是指正常人可以听到的声音频率范围：20Hz～20kHz，称为音频。20Hz以下称为次声，20kHz以上称为超声。在音频范围内，人耳对中频段1～4kHz的声音最为灵敏，对低频和高频段的声音则比较迟钝。对于次声和超声，即使强度再大，人们也是听不到的。

（2）听阈和痛阈。

①听阈。可闻声必须达到一定的强度才能被听到，正常人能听到的强度范围为0～200Pa。使声音听得见的最低声压级称为听阈，它和声音的频率有关。在良好的听音环境中，听力正常的青年人，在800～5000Hz频率范围内的听阈十分接近于2×10-5Pa，这个值也是绝对声响的参考值，被定为0分贝（20μPa= 0dBSPL）。正常人耳对不同频率声音的听阈略有不同，一般人的听阈则在1～3dB之间。

不同的频率的听阈亦有不同，其值一般在2kHz时为0dB。高频和低频的听阈比较高，比如30Hz的正弦波的听阈为60dB，而一般人对15kHz的正弦波的听阈也要达到约60dB。人可以听到约20Hz～16kHz的声音，一个人能够听到的最高频率受到其年龄和健康状况的影响，年纪越大的人，其高频的听阈提高得越快。

当左右两耳听阈有差异时，双耳听阈主要决定于灵敏度较好的那只耳朵。当两耳灵敏度完全相同时，双耳听阈比单耳听阈低3dB。

② 痛阈。使耳朵感到疼痛的声压级称为痛阈，其值约为137.5dB，相当于一个150帕的波压在痛阈下还有很大的一段让人感到非常不舒服的声响度范围，即声响80～100dB。声响高于80～100dB后中耳的肌肉会紧张，降低小听骨的灵活性及其向内耳传播声音的能力。这个保护机能在约50微秒后开始出现，在声响降低后依然会保持一段时间。它与声音的频率关系不大。痛阈通常有三个层次：

A.声压级达到20Pa时，人耳感到不舒适（有震耳欲聋的感觉）；

B.声压级大于200Pa时，人耳感到疼痛；

C.声压级超过1000Pa时，人耳会发生急性损伤。

正常人的听觉范围如图1-9-2所示。语言和音乐只占整个听觉范围的很小一部分。

图1-9-2　可闻声的强度与频率的关系

3.响度、音调和音色

声音在物理上可以用声压的幅度、频率和频谱3个客观参量来描述；而在听觉上则常用响度、音调和音色3个主观参量来描述，俗称声音三要素。

（1）响度。响度俗称音量，是指人耳对声音强弱的主观感受。响度不仅正比于声音强度的对数值，而且与声音的频率有关。

①响度级。对于强度相同而频率不同的声音，人们会有不同的响度感觉。例如频率为100 Hz和1000Hz的两个纯音，声压均为0.002Pa，听起来却不一样响，感觉到后者比前者响得多。这说明人耳对不同频率的声音具有不同的灵敏度。为了定量描述一个声音的响度，人为地规定以1000Hz纯音的声压级定义为响度级，单位为“phon”（方）。也就是说，以1000Hz纯音的声压级为标准来衡量其他频率声音的响度级。例如当1000Hz纯音的声压级为60dB时，定义为60phon，听起来一样响的其他频率纯音的声压级虽然不是60dB，但也定义为60phon。显然，对于1000Hz纯音，其声压级与响度级在数值上是相等的；而对其他频率的声音，两者在数值上是不相等的。

②等响曲线。如上所述，利用与基准音比较的实验方法，测得一组一般人对不同频率的纯音感觉一样响的响度级与频率和声压级之间的关系曲线，称为等响曲线。如图1-9-3所示是国际标准化组织（ISO）推荐的等响曲线，它是对大量具有正常听力的年轻人进行测量的统计结果，反映了人类对响度感觉的基本规律。

图1-9-3　等响度曲线图

等响曲线反映的一个基本规律是人耳对3000～4000Hz频率范围内的声音最灵敏。这是因为图中纵坐标表示的是耳壳处的声压级，外耳道谐振腔提高了3000～4000Hz附近的声音强度。如果纵坐标表示的是鼓膜处的声压级，那么人耳对1000Hz声音是最灵敏的。对低频和高频声音的灵敏度都要降低。

等响曲线反映的另一个基本规律是声压级越高，等响曲线越趋平坦，声压级不同，等响曲线有较大差异，特别是在低频段。这个规律在音响技术中是有实际指导意义的。它说明若以低于或高于原始声音的声压级重放声源，则会改变原始声音各频率成分的相对响度关系，产生音色失真。所以，在放音时，特别是小音量放音时，为了不改变原始音色，就应借助等响曲线所揭示的听觉特性进行频率补偿，这就是所谓响度控制电路。

（2）音调。

音调又称音高，是指人耳对声音音调高低的主观感受。音调主要决定于声音的基波频率，基频越高，音调越高；同时还与声音的强度有关。音调的单位是“美”，频率为1000Hz、声压级为40dB的纯音所产生的音调定义为1美。

音调大体上与频率的对数值成正比，这一关系在音乐中获得应用。目前世界上通用的十二平分律等程音阶就是按照基波频率的对数值取等分而确定的。声音基频每增加一个倍频程，音乐上称为提高一个“八度音”。例如中央c的基频为261.6Hz，高音c的基频为 523.2Hz。

音调与声音强度的非线性关系可由图1-9-4所示的曲线来描述。可以看出，在低频段，音调受声音强度变化的影响较大。

图1-9-4　音调变化与响度级的关系

（3）音色。

音色是指人耳对声音特色的主观感受。音色主要决定于声音的频谱结构，还与声音的响度、音调、持续时间、建立过程及衰变过程等因素有关。因而音色比响度、音调更复杂。

声音的频谱结构用基频、谐频数目、幅度大小及相位关系来描述。不同的频谱结构，就有不同的音色。即使基频相同，音调相同，但若谐频结构不同，则音色也不同。例如钢琴和黑管演奏同一音符时，其音色是不同的，因为它们的谐频结构不同，如图1-9-5所示。

正因为人类具有区分音色的本领，才能辨别不同的乐器，辨别不同人的声音，辨别音响重放系统是否存在失真。这就要求高保真音频放大器和音箱具有足够的有效频率范围，平坦的频率特性，以保持音频信号的频谱结构不变。

图1-9-5　钢琴和黑管各奏出100Hz为基音的乐音频谱图

4.听觉灵敏度

听觉灵敏度是指人耳对声压、频率及方位的微小变化的判断能力。当声压发生变化时，人们听到的响度会有变化。例如声压级在50dB以上时，人耳能分辨出的最小声压级差约为1dB；而声压级小于40dB时，要变化1～3dB才能觉察出来。

当频率发生变化时，人们听到的音调会有变化。例如频率为1000Hz、声压级为40dB的声音，变化3Hz就能觉察出来，当频率超过1000Hz、声压超过40dB时，人耳能觉察到的相对频率变化范围（Δf/f）约为0.003。听觉灵敏度还与年龄有关。

研究结果表明：对于纯音，人耳能分辨出280个声压层次和1400个频率层次。对于复音，人耳只能分辨7种不同的响度层次和7种不同的音调，共49种响度和音调的组合。这个数字颇为接近我们在语言中可觉察到的音素数。

在高保真音响系统中，如果能将声音的畸变控制在人耳无法觉察的范围内，便可以获得高保真的主观听觉效果。

5.掩蔽效应

掩蔽效应是指同一环境中的其他声音会使聆听者降低对某一声音的听力。一个较强的声音往往会掩盖住一个较弱的声音，特别是当这两个声音处于相同的频率范围时。

掩蔽效应在音响技术中得到应用。如一些降噪系统就是利用掩蔽效应的原理设计的，信噪比的概念及其指标要求也是根据掩蔽效应提出来的。在数字音源中，可利用掩蔽效应进行压缩编码。