声音的参量

1.1.5　声音的参量

1.声音的周期、频率、振幅

声音的周期是质点完成一次振动循环（cycle）所经历的时间，以t表示。质点在单位时间内（秒）所作的振动循环的次数叫做振动的频率或每秒周数，以f表示。频率的单位是赫兹（赫，Hz）。如某周期波每秒重复100次，周期就是1/100s，t＝0.01s（10ms）。周期与频率的关系：f＝1/t，t＝1/f。人耳听觉的感受范围是20～20000Hz，这一频带称为声频，高于此范围者为超声，低于此范围者为次声。人的听觉频率范围有个体差异，个别受试者的低频下限可达10～16Hz，然而一般情况下，对于小于50Hz的声音，往往由振动感觉代替了低频听觉；有的人高频听觉上限可达24000Hz，某些儿童甚至能听到高达30000Hz的声音。与人类信息交往关系最密切的是言语频率范围，即500～3000Hz的声音频率。

振幅是指质点离开平衡位置的位移，其通常反映振动质点的位移、能量和压力。任何瞬间质点离开平衡位置的距离称振动的瞬时值。瞬时值可以是正值也可以是负值。最大的瞬时值又称峰值。如图1－5所示，一个波的峰－峰振幅是这个波的正向波峰与负向波谷之间的距离。但这既不能反映波的整体，也不能反映波的变化。由于振幅不断改变，因此测量瞬间的某个振幅不如测量“总体平均振幅”。但总体平均振幅不是简单地将所有瞬时振幅值平均，因为正值和负值会相互抵消，所以用“均方根”的平均方法更有效，即将所有正值和负值先平方，再平均，再开方。对于正弦波，均方根值通常是峰值的70.7%（0.707）或峰－峰值的0.354。

图1－5　分别用峰值、均方根值、峰－峰值三种方式来表示一个正弦波的振幅

2.声音的波长、声速

波长是一个波在一个振动循环内传播的距离。在物理学上，波长通常用希腊字母λ（lambda）来表示。我们熟悉的水波，其波长就是相邻两个波浪尖或两个波谷之间的距离。但声波则表现为一个压缩峰与下一个压缩峰之间的距离，或者一个疏谷点与下一个疏谷点之间的距离。由此也可以说，在某一固定的频率中，沿着波的传播方向，在波形中离平衡位置的位移与时间皆相同的任意两个质点之间的最短距离都是一个波长。

声速指单位时间内声波在介质中传播的距离。不同介质的声波传播速度有差别，介质密度高者声速快；介质密度低者声速慢；没有介质存在时（如在真空中），声音不能传播。例如在密度较高的象牙中，声速约为3013m/s，颅骨与骨性耳蜗的声速与此值近似；在密度较低的水中，声速为1437m/s，内耳淋巴液的声速大约接近此值；空气中的声速约为334m/s，外耳道气柱的声速大致等于此值。空气中的声速受温度影响但不受大气压的影响，如0℃时的声速是331.4m/s，22℃时则为334.8m/s，即声速随温度升高而加快。此外，气体传导声音的速度还受介质相对分子质量的影响，介质为氢、氦等相对分子质量较低的气体时声速较快，介质为氧、氮等相对分子质量较高的气体时则声速较慢。

声速与波长间的关系式为λ＝c/f，如100Hz纯音在空气中的波长为334.8cm。

3.相位

相位（phase）是声波的一个属性，指在周期性运动中，质点在某一瞬间所处的状态或所在的位置。如前所述，纯音为正弦波形，每一周期的相位角是360°。当用耳机作声源时，设耳机膜振动面在静止位置时为0°，则向外运动达最大点时为90°，恢复原位时为180°，向内运动达最大点时为270°，再恢复原位时为360°，完成一个振动周期。前180°组成了声波的密相（condensation），空气分子在振动、碰撞过程中被挤在一起，致密度增高。在密相的顶端，即相位90°处，相当于声波的波峰。后180°组成了声波的疏相（rarefaction），此时振动着的空气分子发生扩散，分子间的距离加大，密度变小，成疏相。疏相的最低端，即相位270°处，相当于正弦波的波谷。