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Cool Edit Pro操作详解·64

第9章 声学与录音

物体振动产生声波,声波被人耳感知,则称其为“声音”,声学是研究声音的学科,更具体的说,主要研究:声音的产生、传播及由此衍生的一系列物理现象、效应,声音对人的听觉、生理、心理等方面的作用与影响,营造或改善环境的声学特性,进行专业化的录音、设计与测量等。

9.1 发声与传播

当我们用手拨动琴弦时,可以看到琴弦发生了振动,同时听到了声音。当它振动的时候,两边的空气受到影响,一边被压缩而使空气分子变得稠密,密度增大,分子间的压力增大;而另一边则由于负压而使空气分子变得稀薄,密度减小,分子间的压力减小。琴弦所在位置的空气分子与压力变化又不断波及并影响外侧的空气分子,使空气密度与压力周期性的向周围空间逐次推进,从而形成声波的传递,也称为声音的传播。当声波到达人的耳朵,引起耳膜的振动,人就听到了声音。这个过程中,产生声波的振动物体(琴弦)称为声源,而空气则是传播声波的媒质。由此可见,媒质的密度越大,振动传递的效率越高,越容易完成传递。比如:声音在水、铁轨、木头等媒质中更容易传播,也更容易让人感知到——这也是古人发明并使用窃听器“贴地耳”的工作原理。

如果我们把每个振动的中心点都确定为一个质点,那么此质点只在自己的平衡位置附近振动,不会随声波前进。由于声波在传递过程中,质点的振动方向与声波的传播方向互相平行,因此声波为纵波。而声波每秒钟经过某个质点的振动次数(振动周期)则称为频率,通常用字母f表示,其单位为Hz(赫兹),1000Hz=1KHz(KHz:千赫)。人耳能感知的声音频率约在20Hz到20KHz之间。

上面我们讲了,声波由媒质振动引起密度与压力的周期性变化而产生,在某个瞬间,媒质中压力最大或最小的两个相邻质点的长度,称为波长,用字母λ来表示,其单位为m(米)。由此可知,波长越长,振动频率就越低,听起来音调越低;波长越短,振动频率越高,听起来音调越高。同时,相同的物体振动,其在不同的媒质中传播,波长与频率是不同的——这也是同样的声音,在水中、木头中、铁轨中和空气中听起来感觉音调有很大差别的根本原因。

在声波的传播过程中,波长远大于媒质分子间的距离,因此,在媒质中一个波长的距离内,有无数个分子在振动。从宏观上看,此媒质是连续的,但是当波长和媒质分子间的距离为同一个数量级甚至比它还小时,就不能再认为媒质是连续的,此时,媒质也就无法传播声波。比如,在真空环境中,由于没有分子,或者分子间距极大,就不能传播声波,即使再灵敏的话筒,也不能录制声音。

声波每秒钟传播的距离称为声波传播的速度,简称“声速”或“音速”,通常用字母c来表示,其单位为m/s(米每秒)。声速大小取决于媒质的特性,即与媒质的密度、质量、弹性等因素有关,而与声波的频率、强度等因素无关。当温度变化时,媒质特性也发生变化,声速也会发生变化。

温度为15℃时,声音在空气中的传播速度大约是340米每秒,当气温升高时,声速略有增加。而频率也是以秒为单位的振动周期,因此,声波的传播速度除以频率,可以得到波长。比如:30Hz的低频,其波长为340/30,约等于11.33米,而20Khz的高频,其波长约等于0.017米(1.7公分)。反过来推导,也可得知,声速等于波长乘以频率。

声音的传播具有一些共有的特性:

•声源的方向性:假设声源向某个方向发出声音,如果声波的波长比声源(发声物体)的尺寸大很多,因为牵扯到衍射现象,则声波会比较均匀的向各个方向传播,如果声波的波长比声源的尺寸小,则集中向正前方一个尖锐的圆锥体范围内传播。也就是说,声音中的高频部分具有更强的方向性,而低频的方向性则不明显,或者难以确定。比如:人说话时,语音中的低频部分由于其波长较长,大于声源(人的头部、颈部和胸腔),因此这部分声音能向各个方向均匀的传播,别人站在此人的任何方位,都能听清其说话中的低频声音。而此人说话的高频部分,由于波长较短,向前直射,传播范围比较集中和狭窄,如果别人站在此人背后,就会感到声音中的高频部分音量很小。

声音的方向性,用于听觉心理学方面,就是人能够更容易地感知到高频声音的发声位置(来源方位),呈“点效应”,而对低频声音则不敏感,很难判定其究竟从哪一点方位发出的,呈“面效应”。

•声波的反射与折射:声波在传播过程中遇到障碍物,会产生反射,相对于障碍物表面法线,其反射角度等于入射角度,方向刚好相反。当声波遇到凹面障碍物时,会产生聚焦效应,而障碍物表面为凸面时,则会产生扩散效应。在发生聚焦与扩散的同时,还会有一部分声波进入障碍物内部,也就是声波从一种媒质进入另一种媒质,如果两种媒质的密度不同,声波的传播方向就会发生改变,这种现象称为声波的折射效应。

•声波的衍射与散射:我们观察河面上的水波。水面有障碍物时,水波的传播发生了变化。当障碍物比较小时,水波可以绕过障碍物继续传播,当障碍物比较大时,水波无法绕过,其背后没有水波,而其余部分仍有水波通过。声波遇到障碍物时,与之同理,其绕过障碍物继续传播的现象称为衍射效应。衍射的程度取决于声波的波长与障碍物的大小,波长越大,障碍物越小,衍射效应就越明显。因此,声音中的低频部分具有更强的衍射性。当声波通过障碍物上的洞孔时,也会发生衍射现象。此时洞口好像一个新的点声源,当声波的波长比洞口尺寸大很多时,经过洞口后的声波从洞口向各个方向传播,而频率较高的部分,因为具有更强的方向性,因此经过洞口后会继续向前传播。

当声波在传播过程中,遇到线度比波长小得多的障碍物时,还会产生散射效应,散射的程度和波长与障碍物的线度之比有关。障碍物的线度越大,波长越短,则散射越强。对于相同的障碍物,声音中频率较高的部分更容易发生散射。

现实世界中,因为声源的类型与环境复杂多变,因此声音的传播特性也非常复杂,在某个特定环境中,声音会发生无数的反射、折射、衍射与散射,到达人耳的最后结果,其实是经过一系列复杂的声学效应后产生的“复合声音”,而并非真正的原始声源。

9.2 声音的特性

•声压与声强:在静止的空气中,气压是均匀的,当有声波传播时,气压将发生变化,空气压强的变化量称为声压,通常用字母p表示。声压的单位为帕(Pa),即N/㎡(牛/平米)。人类能感知的最低声压约为2X10的负5次方Pa,称之为基准声压。声源的振动幅度越大,其发声能力越强,产生的声压也越大。衡量声源发声能力还可以用声功率来表示,即声源在单位时间内向外辐射的总声能,通常用字母W表示,单位为W(瓦)。

还有一个概念是声强,即单位时间内,通过某一点并与声波传播方向垂直的单位面积内所通过的声能。声强通常用字母I表示,其单位为W/㎡。声强与声源的功率成正比,与测量点和声源的距离的平方成反比。人耳对声波强弱的感受大致与声强(或声压)的对数成正比。为适应人耳听觉的特性以及计算方便,通常将两个声波的强度或声压之比取对数来表示声波的强弱,单位dB。与基准声压相对应,人耳可感受的最低声强为10的负12次方W/㎡,称之为基准声强,某个声波与基准声强的比值取对数,称为声强级,单位dB。通过计算可知,声强提高一倍,声强级提高3dB。

声强与声压都可以表示声音的大小。两者的区别是:声强指的是单位面积通过的声能,而声压是单位面积上的受力,声强与声压的平方成正比。声波的声压与基准声压的比值取对数,称为声压级。谈话性质的人声,在一米左右的距离上,其声压级大约为60dB,相对比较安静的家庭环境或课堂,声压级大约为30~35dB,普通街道的声压级约为60~70dB,而打夯汽锤、跑车赛道的声压级可达130~150dB,这种情况下,人的心理表现是非常不适应,难以容忍。

•基音、泛音与音色:我们知道,声波的基本原理是周期性振动,这种振动最简单的形式是正弦波,这种波是单一的,只有一种基本频率,称之为基频,或者是基音。而现实中的声音则是复杂的,往往由基频和一系列与基频成倍数关系的频率组成,这种与基频呈倍数关系的组成频率,称为谐频,或谐波、谐音,也可称之为泛音。但是象电子发声器件产生的简单振荡波、汽车发动机、工厂嘈杂声音之类的声波,则不存在这种组成关系,或者组成关系变得更加复杂和凌乱。许多乐器的谐音与基音只是简单的倍数关系。比如,一把大提琴奏出一个基音为200Hz的音符,这个音其实就包含了400Hz、600Hz、800Hz、1KHz等许多谐音成分。

也可以这么理解:复合音中频率最低、能量最大的单音叫基音,其它的音则叫泛音或谐音。泛音可能高过人类的听觉上限,其幅度与相位关系则说明了波形的音色。比如:大提琴和小号都可以用同一个基音发出音符,然而,由于泛音序列、比例与成分不同,二者的音色就截然不同。在录音和音频处理时,为了更好的表现某个乐器或音色,就必须要注意保护好或突出其基音与泛音,特别是泛音部分。

通常,我们听到的声音类型可分为:自然界音效、语音、歌唱、乐音、噪音等多种类型。对语音和歌唱而言,男声的基频约为200~400Hz之间,男低音演唱的基频,可低至60Hz,而女声的基频约在400~800Hz之间,女高音演唱时,其基频有可能超过1KHz。不同的乐器,其基频与频率范围也不同,甚至相差很大,有些乐器可以发出很低沉的声音,比如BASS、大提琴、大低音号等,有些则可以发出很尖利的高音,比如短笛、小提琴、高音镲等。各种乐器集中到一起进行演奏时,其总的频率范围与动态范围(最大声压级与最小声压级之差)是相当宽泛的,低频可达20Hz,而高频加上泛音,则经常达到甚至超过了20KHz。

周期性波形的泛音特性可以用傅里叶级数来表示,它描述了所有正弦系列的谐音组成的复杂波形,这类复杂波形往往由许多正弦波叠加而成。声音信号非常复杂,人们最初认为模拟音频技术和数字音频技术可以完全把握人类的听觉,其实这种观点是错误的。对于复杂的情况,人的听觉能力或本能目前还掌握的比较有限,就目前来说,即使再成熟的技术,再完美的设备,记录和发出的声音也只是实际声音的模拟和近似而已。