首頁 牛津通識課:聲音

02 聲音的本質 The Nature of Sound

聲音的兩麵

森林裏有一棵樹倒了,但倒地聲沒有被人聽見,這算是發出了聲音嗎?“聲音”既是一種物理現象,又是一種感覺,這種雙重意義給了剛剛的問題一個明確的答案——樹倒的時候發出了、也沒發出聲音。聲音的物理和感官方麵的關係是複雜的,因為聲音給我們留下的許多印象與它的物理參數有關,但又不能僅僅簡化為物理參數。比如,高頻音通常聽起來音調更高,更大的聲音聽起來也更響亮。此外,從警報聲到風笛聲,從搖籃曲到獅子的吼叫聲,許多聲音對我們產生了情感上的影響,而這些影響與它們物理參數之間的關係卻非常模糊。

聲音在物理方麵遠比在情感方麵更容易被人理解,所以我們將從物理學開始講起。

壓力波

聲音通常是由物體的循環運動發出的,比如:揚聲器的膜片不斷地跳動,聲帶之間的間隙時而縮小時而擴大,或者吉他弦來回振動。正是這些運動向周圍介質(固體、**或氣體)的傳播及其在介質中的傳播過程構成了聲音。在某些情況下,運動的就是介質本身,比如有人在瓶口上方吹氣時瓶頸裏的空氣就是如此。非運動源包括突然釋放的熱能(如爆炸或火花)和快速振**的熱源。

當揚聲器的膜片運動時,膜片產生的聲波具有和電信號相同的變化規律。每當膜片向外移動時,它同步擠壓前麵的空氣分子,使它們彼此靠近,從而形成一個高壓區。這些分子接著對鄰近的分子施加壓力,使它們也依次靠得更近,因此一個緊密結合的分子形成脈衝(壓縮波)穿過介質,接著,又因為膜片向內運動而產生一個低壓區(稀疏波)。

然後膜片再次向外移動,產生第二個脈衝。膜片在1秒內由內向外移動的頻率決定了聲波的頻率(單位是赫茲,縮寫為Hz)。最簡單的聲波就是純音,例如音叉發出的聲音。空氣壓力隨音叉距離變化的波形是一個正弦波,波的瞬時形狀如圖1所示。