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02 声音的本质 The Nature of Sound（第1页）

02声音的本质TheNatureofSound

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声音的两面

森林里有一棵树倒了，但倒地声没有被人听见，这算是发出了声音吗？“声音”

既是一种物理现象，又是一种感觉，这种双重意义给了刚刚的问题一个明确的答案——树倒的时候发出了、也没发出声音。

声音的物理和感官方面的关系是复杂的，因为声音给我们留下的许多印象与它的物理参数有关，但又不能仅仅简化为物理参数。

比如，高频音通常听起来音调更高，更大的声音听起来也更响亮。

此外，从警报声到风笛声，从摇篮曲到狮子的吼叫声，许多声音对我们产生了情感上的影响，而这些影响与它们物理参数之间的关系却非常模糊。

声音在物理方面远比在情感方面更容易被人理解，所以我们将从物理学开始讲起。

压力波

声音通常是由物体的循环运动发出的，比如：扬声器的膜片不断地跳动，声带之间的间隙时而缩小时而扩大，或者吉他弦来回振动。

正是这些运动向周围介质（固体、**或气体）的传播及其在介质中的传播过程构成了声音。

在某些情况下，运动的就是介质本身，比如有人在瓶口上方吹气时瓶颈里的空气就是如此。

非运动源包括突然释放的热能（如爆炸或火花）和快速振**的热源。

当扬声器的膜片运动时，膜片产生的声波具有和电信号相同的变化规律。

每当膜片向外移动时，它同步挤压前面的空气分子，使它们彼此靠近，从而形成一个高压区。

这些分子接着对邻近的分子施加压力，使它们也依次靠得更近，因此一个紧密结合的分子形成脉冲（压缩波）穿过介质，接着，又因为膜片向内运动而产生一个低压区（稀疏波）。

然后膜片再次向外移动，产生第二个脉冲。

膜片在1秒内由内向外移动的频率决定了声波的频率（单位是赫兹，缩写为Hz）。

最简单的声波就是纯音，例如音叉发出的声音。

空气压力随音叉距离变化的波形是一个正弦波，波的瞬时形状如图1所示。

图1　声波压力示意图

相邻的两个波峰（或波谷）之间的距离定义为声波波长（λ）。

声音以速度v在空气中传播，在室温下速度约为每秒340米。

频率（f）由方程f=vλ给出。

空间中某一质点的压力随时间变化的曲线图也是一个正弦波，所以我们其实也可以将图1的横轴标记为“时间”

。

类似图1这样的图像十分常见，而且通过这样的图像我们很容易想象出声波的某种可视图，事实上许多书就是以这种方式来使用这些图像的。

然而，实际上，声波不像海浪那样有上下（横向）运动，唯一的运动是分子交替地从声源向外或向声源运动，就像牛顿摆[1]里的球一样。

这种波被称为纵波，如果我们能看到空气分子的话，它们看起来就如图2所示的样子。

图2　从分子角度看声波

如果连续的声音起源于一个点，那么它就会像膨胀的球体一样向四面八方传播。

如果探测区域很小（如麦克风隔膜或鼓膜），距离声源只有几米远，那么声球的曲率可以忽略不计，此时声音以平面波的形式传播。

即使声源有一个特定的方向（就像大多数扬声器一样），只要膜片厚度大于声音的波长，声音仍然会以球状形式传播。