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管弦乐队手册——声学原理——音乐厅第一章　声音信号基础 　 1.1　振动的传播 音色是由振动方式决定的，数学上可以把振动描述为振动函数，即振动位移(振动点偏离平衡位置的位移)随时间变化的函数，后面几节中我们会着重对振动函数进行研究。 声音的传播过程中，振动会产生在三个地方： 　　(1) 声源：包括振源和共鸣腔。振源是振动的源头，包括声带(人声)、琴弦(弦乐器)、簧片(管乐器)、鼓皮(鼓)、电磁振盘(扩音器)和其他任何有弹性的材料(噪音)。振源必须由外界提供能量，例如气流、摩擦等，所以振源还不能算是声音的源头。振源的振动是极其微弱的，必须传导给共鸣腔才能发出嘹亮声音，共鸣腔是由弹性材料构成的具有一定体积的腔体。人声的共鸣腔包括咽腔、口腔、鼻腔、胸腔和颅腔，骨骼和软组织起到主要作用；弦乐器的共鸣腔指琴身，通常由木质材料制成；管乐器的共鸣腔则是管子，以金属管占多数，木质的也有。 　　(2) 传播界质：振动以波的形式传播出去，这种波通常是纵波(传播方向和振动方向相同)。声波的传播界质一般指空气和水，界质中的每一处都在振动，并且向四周发散出去，在发散的过程中衰减。声音的衰减规律是：在空旷的地带，声音总是和声源距离的平方成反比；而在障碍物密集的地方，声音会通过反射和衍射来传播，频率低的声音反射和衍射的能力要比频率高的声音强，所以频率低的声音衰减得慢，传得远，频率高的声音衰减得快，穿透力差。 　　(3) 拾音器：它是声音真正起作用的地方，对于人的耳朵来说，它是位于中耳的鼓膜和听骨，对于电子录音设备来说，则是话筒中的电磁簧片。 1.2　声强级 　 　　声波的本质是能量的传递，衡量声音强度的指标是拾音器获得的能量，在物理学上，声强被定义为单位面积上声波的功率，即 　 I(声强) = P(功率) x S(面积) 　 　　声强的单位为W/m2(瓦/米2)，对于人的听觉而言，更为实用的单位是分贝(dB)，它反映的是声强级，是对声强的比值取对数而获得的，即 　 L(声强级) = 10 x lg (I / I0) 　 　　这里I0是声强级的基准声强，通常选择人耳可以听到的最低声强。由于人耳对不同频率声音的敏感度有所差别，所以这个基准会因频率而有所差别，也是因人而宜的。在测定噪音时，通常用“标准A”来确定基准声强，在1000Hz时其值为10-12W/m2，以此标准得到的声强级计作dB(A)。下面我们举一个例子，以说明声强级的计算： 　　在广场音乐会上，前排听众距离小提琴手约5米，这里的声强级为50dB(A)，后排听众距离小提琴手约20米，可以估计那里的声强级。由于声强和声源距离的平方成反比，所以后排听众受到的声强约为前排听众的1/16，对这个比值取对数，就可以得到两者声强级的差，即10 x lg (1/16) = -12。所以后排听众感受到的声强级为38dB(A)。在大厅里，我们无法用这种方法计算声强级，因为声波的反射是必须考虑的因素。 1.3　波形 　 　　声音的波形就是振动函数的图像，由于声音传播过程中受外力的作用，波形时刻在发生变化。电子录音和放音设备当中的电路也会导致波形的变化，这种变化称为波形的失真。根据集成电路的特性，每个电路都有最佳的频率范围，例如100Hz到10000Hz，超过这一范围波形就会有很大的失真。很多失真是由滤波电路引起的，例如电路要虑去电网中50Hz的噪音，当接收到的声音在50Hz左右时，波形失真就非常严重了。 　　此外，最常见的波形失真还有如图1-1所示的过载失真，这往往是由于电信号强度超过电路额定值造成的。 输入波形 输出波形 图1-1　波形失真的例子(过载失真) 1.4　频谱、不可靠原理和不确定原理 　 　　振动位移并不会被人的听觉直接感受到，内耳中的耳蜗会自动把振动函数分解成各种不同频率的谐音，高频的谐音会被位于耳蜗边缘感受到，低频的谐音则传递到耳蜗中央，耳蜗内的听觉神经末梢会接受各种谐音。 　　谐波是单一频率的正弦函数(或余弦函数)，数学上可以通过傅立叶变换(Fourier Transfer)求得振动函数中包含的各种谐波，结果称为频谱或频谱函数，描述了谐波振幅、相位和频率之间的关系。人的听觉无法识别谐波的相位，所以频谱中常常不包含相位信息，这样的频谱称为功率频谱。 　　频谱分析是用电子仪器分析声音的科学手段，其原理就是对声音的采样信号进行傅立叶变换。早期的频谱分析仪器主要由滤波电路完成，一个滤波电路只能检测出一种频率的谐波，所以电路复杂，精密度也不高。现在利用电子计算机，声音被转化成采样信号(计算机采集到的振动函数不是连续的，只能每隔一定的时间测量一次信号，这种时间间隔可以用采样频率来描述)，计算机运用快速傅立叶变换(FFT)的技术，可以得到频谱。 　　快速傅立