室内声学设计--声音的本质

      声音是什么，它是如何产生的，如何改变和分析声音？本文将介绍声音的基本特征，并看看一些典型的声波及频谱。这里需要用到一些数学知识，但我希望主要的思想可以使读者不需要花太多时间便可理解。

声波基本参量

1：频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）频率高的声音称为高音，频率低的声音称为低音；人耳对声波频率的主观感觉范围为20Hz~20kHz；低于20Hz为次声波，高于20kHz为超声波。

2：波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位m(米)。声波完成一次振动所走的距离。

3：声速，声波在某一介质中1秒钟传播的距离。单位m/s。（声速受温度的影响）

什么是声音

1. 静压

      我身边的一切，我坐的椅子，我呼吸的空气，以及我喝的伏特加马提尼鸡尾酒，所有的都是由称为原子的微小粒子组成的。这些原子被特别地组成为一个较大组合叫做分子。例如，在我喝的酒里，用来稀释酒精的水，就是由百亿以上的分子组成，其中每一个分子由两个氢原子和一个氧原子构成。分子和原子在气体和液体中可以自由地移动，因为它们之间的粘连很微弱。与此相反，在固体中的分子和原子联系紧密，以产生致密的结构；我的椅子（它是由固体组成的）中的分子是相当密集的，而在空气中（其由气体组成的），这些分子间隔相对较远。

      空气中的分子不断地移动，数百亿空气分子持续碰撞，从而在任何一个与空气接触的物质上形成一个静态压强。压强取决于空气的密度（每单位体积中分子越多，分子碰撞物体的次数越多，产生的压强也就越大）和空气的温度（温度越高，空气中分子移动得越快，它们彼此碰撞越多，产生的压强越大）。由于地球万有引力的原因，靠近地球表面的空气分子被挤压在一起，造成每平方米十万牛顿的压强（牛顿/平方），也就是大气压强。牛顿是一个力单位（一个质量为100g的物体，如一个小苹果，大约为1牛顿）。一平方米是一个面积单位，那么压强则是代表每单位面积上测得的压力。因此，对于一个恒定的力，面积越大，压强越小。

2. 压强变化

      如果空气被一个物体（声源）的运动或振动所干扰，则空气密度将会不断变化。当振动物体向外移，将附近的空气分子推开，并挤压在一起，导致密度和压强略有增加，形成密部；当振动物体向内移动，空气分子散播开来填充空出的空间，产生密度和压强略有下降的疏部，这些压强变化被称为声波。

      声波由交替的密部和疏部组成，我们通常经历的压强变化是非常小的（通常少于大气压的0.01％）。声源产生的压强变化在空气中传播的方式，大致与在一个池塘里投入石头产生的水波的方式相似。然而，也有一些重要的差异。声波能在三维空间内向所有方向传播，然而水波在平静的水面传播时，仅是在二维空间里。另外，在水波中，分子向上和向下振荡做圆周运动；而声波是纵波，声波的粒子（例如，在空气中的分子）沿着波运动的方向向前和向后振荡。

      可以这样试想一下，空气好像一条被弹簧连接起来的高尔夫球链（这个比喻由霍华德和安格斯于2001年提出）。如果最左端的高尔夫球从左边被推到右边，则弹簧将被压缩（密部），从而导致旁边的高尔夫球移动到右边，然后将导致下一弹簧被压缩，接着使旁边的高尔夫球右移……如此，沿着这条链传遍所有高尔夫球。同样，如果将最左端的高尔夫球向左拉，弹簧将被拉伸（疏部）导致下个高尔夫球移动到左侧，使下一个弹簧被拉伸，以此类推。根据这一模式，如果一个高尔夫球从一边向另一边移动，然后其振动方式将沿着整条链传播，如图

      一个外力干扰沿着由弹簧连接的高尔夫球链传播的示意图，从上到下展示了七个连续的时间段

      实质上，这就是声波如何通过介质传播的。在空气中，空气分子之间没有像弹簧一样的连接，但是大量的分子相互碰撞和传递动量的效果，可以以这种方式来表示。用过自行车打气筒的人都知道，堵住喷嘴运动活塞时，会明显感觉到压缩之后的空气有外弹的作用力。

      举一个更为具体的例子，扬声器可将电势的变化转换成声波。扬声器对空气进行推拉，产生交替的密部（扬声器纸盆向外移动所产生的高压）和疏部（扬声器纸盆向内移动产生低压）。图2所示的是工作状态的扬声器在空管中的情况。阴影处表示的高压区域，明亮处表示低压区域。按压力变化的顺序排列，从扬声器首次开始移动起（顶图）到完成了近两个周期的时刻（底图）。重新用水作为比喻，你可以想象一下在一个方形敞口鱼缸里上下移动你的手，同样会产生类似的波动。在这种情况下，在下图的阴影处代表高水位，并且明亮处表示低水位。

      如图 一组扬声器在空管内产生的声波的示意图，阴影处表示高压（密部）；明亮处表示低压（疏部）。下图是管内压强随扬声器位移变化而变化的一个函数曲线图。横线代表大气压强。

3. 声音的速度

      声波在空气中是以一定的速度传播的。虽然该值取决于空气的密度和温度，在常压下的声速是约330米每秒（米/秒）也就是740英里每小时，或者1马赫。与6.7亿英里时速的光速相比，声波传播速度真是慢成了渣渣。声音在空气中的慢速行程在大型演唱会上会导致这样的郁闷情景：由于声波传播延迟，前排的粉丝的拍手和后排粉丝的拍手完全不在一个节奏上。

      声波在最重要的介质——空气中的传播。然而，理论上声波也可以在其它物质中传播。在某一定点施加一点压力变化将引起这个压力变化以一定的速度传播，这个速度取决于该物质的密度和硬度（想想之前说的高尔夫球和弹簧）。物质的密度越大，速度越慢，因为过重的物体需要更长的时间来加速。物质的硬度越大，速度越快，因为对于一个特定的位移，弹簧越硬，产生的弹力和加速度就越大。例如，声音穿过钢铁（非常硬）的速度为5200米/秒，而声音穿过硫化橡胶（密而不硬）仅为54米/秒。我们对于水中产生的声音了解得比较多，它被许多海洋哺乳动物用来交流，在水下也可以通过回声（声纳）来识别物体。虽然水比空气密度大一些，这可能会使水中的声速较慢，不过水比空气硬度大多了，所以总体来说声音在水中的传播比在空气中更快，约1500米/秒。