声波的特性

文/[美]布鲁斯·巴特利特，詹妮·巴特利特 译/朱慰中

（1. 广东亚视演艺职业学院 电视制作系，广东 东莞 523710）

声波的特性

文/[美]布鲁斯·巴特利特，詹妮·巴特利特 译/朱慰中1

（1. 广东亚视演艺职业学院 电视制作系，广东 东莞 523710）

结合录音工作，介绍声波的产生及其特性。

录音；声波；传声器

1 声波的产生

大多数乐器的振动撞击空气的分子而发出声音，引起振动的空气分子以声波的方式来传播。当这些振动到达人耳时，人就能听到声音。

为了说明产生声波的过程，可用一台吉他放大器内扬声器纸盆的振动来描绘。当纸盆向外移动时，它将邻近的空气分子挤压在一起，这种形式称为压缩。纸盆向内移动时，它将空气分子拉向疏远，成为稀疏状态。如图1所示，在压缩时产生比正常大气压更高的气压，在稀疏时比正常气压要低。

从一个分子到下一个分子的振动的传递像作弹簧那样的动作——每个分子的往复振动以波的形式进行传播。声波从声源向外传播的速度为1 130英尺/ s（344 m/s），这是在常温下空气中的声音速度。

在某一个接收点，诸如用耳朵或用一支传声器，接收空气压力的变化是用如图2那样的波形运动来表示声压随时间的变化。图中的最高点称作波峰；最低点称作波谷。图中的水平中心线则表示正常大气压。

声波的传播自声源向四周展开，其压缩和稀疏的空气分子运动呈球面状向外伸展。当球面波扩展时，声压分布在很大的区域，声压随着离声源的距离增大而减弱。这意味着距离声源愈远，声音愈轻。特别是当距声源的距离增加一倍时，声压会降低一半（下降6 dB）。这个现象被称之为反平方律。

图1 声波

2 声波的特性

图3画出了3个连续的波形。一个完整的振动过程，即气压从正常到高到低再返回到起始点的这一过程叫做一周。截取一个完整周期的时间——从一个波的波峰至下一个波的波峰所需的时间叫做声波的周期。一周就是一个周期的时间长度。

2.1 振幅

波形的高度就是它的幅度。大声有高的幅度（大的压力变化）；小声有低的幅度（小的压力变化）。可以从网址www.elsevierdirect.com/companions/9780240811444上播放第3段音频示例。

2.2 频率

声源（在此处定为吉他放大器的扬声器）在一秒钟内有许多次的来回振动。在一秒钟内完成振动的周期数叫做频率。扬声器的振动越快，则声音的频率越高。频率是用赫兹（Hz）来计量的，即每秒钟内的周期数。1 000赫兹叫做1 000赫，简称为kHz。

频率愈高，则声音的可察觉的音调愈高。低频率的声音有很低的音调（像贝司上的低E音，其频率为41 Hz）。高频率的声音则有很高的音调（像中音C调上4个倍频程的音，其频率为4 186 Hz）。在www.elsevierdirect.com/companions/9780240811444上的第4段音频示例有此说明。频率增加一倍，则音调提升一个倍频程。

儿童能听到频率20 Hz ～ 20 kHz的声音，大多数成人能听到15 kHz或较高些的声音。每种乐器会产生一定频率范围的声音，例如，低音提琴的频率范围是41 Hz ～ 9 kHz，而小提琴则为196 Hz ～ 15 kHz。

图3 一种波形的三个周期

2.3 波长

在声波通过空气传播时，从声波的一个波峰（压缩）点至下一个波峰点之间的物理距离叫做波长（参见图1）。低音调的声音有较长的波长（数英尺）；高音调的声音则有较短的波长（数英寸或更短）。波长等于声音的速度除以频率。所以，频率为1 kHz的声波的波长等于1.13英尺（0.344 m）；频率为100 Hz的声波的波长等于11.3英尺（3.44 m），而频率为10 kHz的声波的波长等于1.35英寸（3.45 cm）。

2.4 相位和相位移

在一个波形的周期内——起始点、波峰、波谷或它们中间的任何一点，也就是说，在波形上的任何一点的相位都是用度数来表示。相位用度来计量，一个完整的周期用360°来表示。波的起始点为0°；波峰点为90°（1/4周期），结束点为360°。图4标出了波形上各点的相位。

图4 一个波形上各点的相位

图5 两个相位移为90°的波形

如果有两个相同的波在一起传播，但是一个波相对于另一个波延迟了一些时间传播，那么在两个波之间就会有相位移。延时愈长，相位移就愈大。相位移也用度数来计量。图5表示两个波的相位移有90°（1/4周期）。用虚线表示的波滞后于实线表示的波有90°的相位移。

如果将两个相同的声波加以混合，例如，把一个声波与从墙面上反弹回来的反射波加以混合，那么在室内的某些点上会把两个波的波峰叠加在一起。这时候的声压或称之为幅度将会加倍，因而，会在某些频率上产生声响更响的区域。

2.5 相位干涉

当两个相同的波形之间的相位移为180°时，一个波的波峰与另一个波的波谷相重合如图6所示。如果把这两个波组合在一起时，那么波形就会消失。这种现象叫做相位抵消或称之为相位干涉。

假定有一个像歌声那类频率范围很宽的信号，如果把它延时后再与原来未延时的信号混合在一起，那么有些频率成分因为有180°的相位抵消而消失。这样就会产生一种空洞的、滤去了某些音色的声音。

举例说明如何发生这种现象。例如，为一位歌手和吉他手录音时，用一支传声器靠近歌手拾音，另一支传声器靠近吉他拾音。两支传声器都拾取歌手的声音，歌手传声器紧靠歌手的嘴部，可从信号中听到的歌声没有延时，而吉他传声器远离歌手，所以它拾取的歌声信号是延时了的。当把两支传声器的信号混合后，由于两支传声器之间的相位干涉，时常可以听到一种声染色的音质。

假如用一支置于舞台地板上的短传声器架上的传声器为舞台剧进行录音。这支传声器既拾取来自演员的直达声，同时，又拾取从地板反射回来经过延时了的反射声。直达声和延时后的反射声在传声器上相混合后，就会引起相位抵消。当演员在舞台上边走边说话的时候，会听到有变化的那种空洞的、滤去了某些音色的声音。

2.6 谐波

在图2中所示的波的类型叫做正弦波。它是一种单一频率的纯音，像从声音振荡器上发出的声音那样都是纯音。而与此相反，大多数的音乐声音有一种很复杂的波形。它的全部声音是由不同频率和幅度的正弦波所组合而成。图7画出了由3个不同频率的正弦波组合而成的一个复合波形。

在复合波形中的最低频率叫做基波频率，它决定了声音的音调。在复合波形中的那些较高的频率成分叫做泛音或谐音。如果泛音频率是基波频率的倍数，那么这些泛音称之为谐波。例如，基波频率为200 Hz时，则二次谐波为400 Hz，三次谐波为600 Hz。

谐波和它们的幅度有助于鉴别声音的音质或音色，有助于辨别声音是鼓声、钢琴、电子琴、人声等等。可播放在www.elsevierdirect.com/companions/9780240811444上的第5段音频示例。一般来说，某些乐器带有少许或微弱的谐波——例如长笛——可使声音趋于纯净和平滑。带有众多或强烈谐波的乐器——例如小号或声音变形吉他——可使声音趋于明亮和锋利。

用提升或衰减乐器声中的谐波及基波频率成分的均衡，可以改变已录乐器声的音质平衡。提升基波成分可以使声音变得温暖；衰减基波成分则会使声音变得单薄；提升谐波成分可以使声音变得明亮、精确或有丰富的高音；衰减谐波成分则会使声音变得黯淡或受到压抑。

通常，强奏乐器会增加乐器的谐波成分。所以，在强奏钢琴时所发出的声音要比轻柔地弹奏时的声音更为明亮。

噪声（诸如磁带嘶声）包含有很宽的频率范围，它是一种不规则的、不重复的波形。像镲片、军鼓或某位歌手发出的“S”声等都带有一种嘶嘶声或噪声的特征。

2.7 包络

鉴别声音的另一个特征就是声音的包络。当一个音符发声时，只要不是连续不变，而是在音量上有上升、维持一段短时间，然后返回至寂静。这种一个音符在音量上的上升和下降被称之为音符的包络。包络是连接了连续波的波峰，由此而构成一种音符。每一种乐器都有它们自己特有的包络。

大多数包络由4个部分组成：声建立、衰减、持续和恢复，如图8所示。在声建立期间，音符从寂静升至最大音量。然后从最大音量衰减到某一中等程度音量。这个中等程度音量为持续部分。在恢复期间，音符从持续期音量回落至寂静。

像击鼓时的撞击声，因为击着鼓面的时间短促，所以，声建立和衰落的时间都很快。其他如电子琴或小提琴音符的发声，则持续时间较长些。它们有较慢的声建立和较长的持续期。吉他的弹拨和镲片的撞击声有较快的声建立和慢慢的恢复时间，所以，撞击声强烈而淡出声缓慢。可播放www.elsevierdirect.com/companions/9780240811444中的第6段音频示例。

图8 一个音符的包络的四个部分

可以用手的侧面阻尼弦的方法来缩短吉他弦的衰减期或响声。同样，用毛毡附在低音鼓的鼓槌上能阻尼低音鼓声的衰减期，从而得到一种很紧密的鼓声。

谐波成分通常在某个音符的包络期间是有变化的。例如如果某件乐器有一种敲击的声建立期间——像吉他的拨击声或通通鼓的捶击声——那末在声建立时的谐波成分是最强的，而在衰减期间则变得较弱。

（注：本文摘编自朱慰中译《实用录音技术》（第五版）第3章第1节、第2节内容，本刊略作编辑和删减。）

（编辑 潘 浪）

Characteristics of Sound Waves

Original/[USA] Bruce Bartlett, Jenny Bartlett Translate/ZHU Wei-zhong1
（1.TV Production Apartment, Guangdong ATV Professional Academy for Performing Arts, Dongguan Guangdong 523710, China）

The arising of sound wave and its characteristics were introduced in the light of recording process.

record; sound wave; microphone

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.04.009