第2章 声学基础

2.1 声学的基本概念

声音是声振动波通过空气或固体、液体等介质传播并能被人或动物听觉器官所感知的现象。日常生活中，除了音乐、语言、呼叫外，还存在各种噪声。常见的噪声有吵闹的环境、车辆声、飞机声、机器声等。物体的振动是产生声音的根源。

发出声音的物体被称为声源。声源发出的声音必须通过媒介才能传播，传声媒介主要为空气、液体或固体。

声音以声波的形式振动传播。在喇叭通过空气向人耳传递声音的过程中，喇叭的膜面产生振动。靠近膜面的空气受到压缩，空气媒介的质点由“稀疏”变为“密集”，空气密度增大；在喇叭向人耳传播的路径上，靠近膜面且变成“密集”的质点会引起临近空气质点由“密集”变为“稀疏”，空气密度减小。接着这个质点沿着传播途径带动其他质点由近及远地依次传递，这一密一疏的空气就形成了传播的声波。声波作用于人耳鼓膜使之振动，刺激内耳的听觉神经，于是便产生了声音的感觉。声音的产生和传播如图2-1所示。

声音在媒介中传播只是运动的形式，媒介本身并不会被传递，而是在它平衡的位置来回振动。不考虑声波传递过程中的能量损耗，喇叭的振动引起周围空气质点的振动幅度随时间的变化类似正弦曲线。

声波上两个相邻“密集”或“稀疏”部分之间的距离被称为波长λ。声波每秒在媒介中传播的距离被称为声速c。波长λ、频率f和声速c之间的关系为

声速c与媒介的物理特性有关，通常情况下，不同媒介的声速满足

声速c与媒介的密度、压强、温度、比热容等因素有关。声速c的计算公式为

式中 γ——比热容比，对空气媒介，取γ=1.402；

p₀——媒介的压强；

ρ₀——媒介的密度；

R——单位质量的气体常数，取287.05J/（kg·K）；

T——热力学温度，T=273.15+t，t为摄氏温度。

取空气媒介的相关数据，按式（2-3）计算得到空气中声速c的计算公式为

在t=15℃时，声速约等于340.5m/s。常见媒介中的声速见表2-1。

声波由物体的振动而产生，振动的过程中一定存在振动频率，因此声音总会包含一定频率范围的振动。外部的声波传播进入耳道，到达耳膜处，引起耳膜振动，振动先后传递到锤骨、砧骨和镫骨进入耳蜗。耳蜗的基膜上部有成千上万的微小毛细胞，毛细胞将振动信号转换成电信号通过听觉神经送给大脑，这就是人耳听觉产生的原理。

人耳的基膜是一个长的线状结构，沿着长度方向具有不同的属性：宽度、刚度、质量、阻尼和管道尺寸。长度方向给定位置的这些参数决定了它的特征频率，也就是它对哪个频率的声音振动最敏感。基膜最宽（0.42～0.65mm）和最柔的位置是耳蜗的“端”部，最窄（0.08～0.16mm）和最刚的位置是根部。高频声音会被耳蜗近根部位置所感知，低频声音在近端部位置被感知。由于耳蜗不同位置对不同频率的灵敏度不同，因此，人耳对声音传递特性具有非线性。

人的语音频率范围集中在80Hz～12kHz，人耳可听的声音具有一定的频率范围（20Hz～20k Hz）和一定的声压级范围（0～130dB）。人耳不是对所有频率的敏感度都相同。正常人耳对声音的频响会随着声音频率的变化而变化。通常情况下低频段和高频段声音感知能力不如中频段。低于20Hz的声音被称为次声波，高于20kHz的声音被称为超声。人和动物既是声源，也是声音的接收者。由于构造的不同，人和动物发声和接收声源的频率也不相同。常见对象的发声和接收声源的频率范围见表2-2。