聲波的特性

文/[美]布魯斯·巴特利特，詹妮·巴特利特 譯/朱慰中

（1. 廣東亞視演藝職業學院 電視制作系，廣東 東莞 523710）

聲波的特性

文/[美]布魯斯·巴特利特，詹妮·巴特利特 譯/朱慰中1

（1. 廣東亞視演藝職業學院 電視制作系，廣東 東莞 523710）

結合錄音工作，介紹聲波的產生及其特性。

錄音；聲波；傳聲器

1 聲波的產生

大多數樂器的振動撞擊空氣的分子而發出聲音，引起振動的空氣分子以聲波的方式來傳播。當這些振動到達人耳時，人就能聽到聲音。

為了說明產生聲波的過程，可用一臺吉他放大器內揚聲器紙盆的振動來描繪。當紙盆向外移動時，它將鄰近的空氣分子擠壓在一起，這種形式稱為壓縮。紙盆向內移動時，它將空氣分子拉向疏遠，成為稀疏狀態。如圖1所示，在壓縮時產生比正常大氣壓更高的氣壓，在稀疏時比正常氣壓要低。

從一個分子到下一個分子的振動的傳遞像作彈簧那樣的動作——每個分子的往復振動以波的形式進行傳播。聲波從聲源向外傳播的速度為1 130英尺/ s（344 m/s），這是在常溫下空氣中的聲音速度。

在某一個接收點，諸如用耳朵或用一支傳聲器，接收空氣壓力的變化是用如圖2那樣的波形運動來表示聲壓隨時間的變化。圖中的最高點稱作波峰；最低點稱作波谷。圖中的水平中心線則表示正常大氣壓。

聲波的傳播自聲源向四周展開，其壓縮和稀疏的空氣分子運動呈球面狀向外伸展。當球面波擴展時，聲壓分布在很大的區域，聲壓隨著離聲源的距離增大而減弱。這意味著距離聲源愈遠，聲音愈輕。特別是當距聲源的距離增加一倍時，聲壓會降低一半（下降6 dB）。這個現象被稱之為反平方律。

圖1 聲波

2 聲波的特性

圖3畫出了3個連續的波形。一個完整的振動過程，即氣壓從正常到高到低再返回到起始點的這一過程叫做一周。截取一個完整周期的時間——從一個波的波峰至下一個波的波峰所需的時間叫做聲波的周期。一周就是一個周期的時間長度。

2.1 振幅

波形的高度就是它的幅度。大聲有高的幅度（大的壓力變化）；小聲有低的幅度（小的壓力變化）。可以從網址www.elsevierdirect.com/companions/9780240811444上播放第3段音頻示例。

2.2 頻率

聲源（在此處定為吉他放大器的揚聲器）在一秒鐘內有許多次的來回振動。在一秒鐘內完成振動的周期數叫做頻率。揚聲器的振動越快，則聲音的頻率越高。頻率是用赫茲（Hz）來計量的，即每秒鐘內的周期數。1 000赫茲叫做1 000赫，簡稱為kHz。

頻率愈高，則聲音的可察覺的音調愈高。低頻率的聲音有很低的音調（像貝司上的低E音，其頻率為41 Hz）。高頻率的聲音則有很高的音調（像中音C調上4個倍頻程的音，其頻率為4 186 Hz）。在www.elsevierdirect.com/companions/9780240811444上的第4段音頻示例有此說明。頻率增加一倍，則音調提升一個倍頻程。

兒童能聽到頻率20 Hz ～ 20 kHz的聲音，大多數成人能聽到15 kHz或較高些的聲音。每種樂器會產生一定頻率范圍的聲音，例如，低音提琴的頻率范圍是41 Hz ～ 9 kHz，而小提琴則為196 Hz ～ 15 kHz。

圖3 一種波形的三個周期

2.3 波長

在聲波通過空氣傳播時，從聲波的一個波峰（壓縮）點至下一個波峰點之間的物理距離叫做波長（參見圖1）。低音調的聲音有較長的波長（數英尺）；高音調的聲音則有較短的波長（數英寸或更短）。波長等于聲音的速度除以頻率。所以，頻率為1 kHz的聲波的波長等于1.13英尺（0.344 m）；頻率為100 Hz的聲波的波長等于11.3英尺（3.44 m），而頻率為10 kHz的聲波的波長等于1.35英寸（3.45 cm）。

2.4 相位和相位移

在一個波形的周期內——起始點、波峰、波谷或它們中間的任何一點，也就是說，在波形上的任何一點的相位都是用度數來表示。相位用度來計量，一個完整的周期用360°來表示。波的起始點為0°；波峰點為90°（1/4周期），結束點為360°。圖4標出了波形上各點的相位。

圖4 一個波形上各點的相位

圖5 兩個相位移為90°的波形

如果有兩個相同的波在一起傳播，但是一個波相對于另一個波延遲了一些時間傳播，那么在兩個波之間就會有相位移。延時愈長，相位移就愈大。相位移也用度數來計量。圖5表示兩個波的相位移有90°（1/4周期）。用虛線表示的波滯后于實線表示的波有90°的相位移。

如果將兩個相同的聲波加以混合，例如，把一個聲波與從墻面上反彈回來的反射波加以混合，那么在室內的某些點上會把兩個波的波峰疊加在一起。這時候的聲壓或稱之為幅度將會加倍，因而，會在某些頻率上產生聲響更響的區域。

2.5 相位干涉

當兩個相同的波形之間的相位移為180°時，一個波的波峰與另一個波的波谷相重合如圖6所示。如果把這兩個波組合在一起時，那么波形就會消失。這種現象叫做相位抵消或稱之為相位干涉。

假定有一個像歌聲那類頻率范圍很寬的信號，如果把它延時后再與原來未延時的信號混合在一起，那么有些頻率成分因為有180°的相位抵消而消失。這樣就會產生一種空洞的、濾去了某些音色的聲音。

舉例說明如何發生這種現象。例如，為一位歌手和吉他手錄音時，用一支傳聲器靠近歌手拾音，另一支傳聲器靠近吉他拾音。兩支傳聲器都拾取歌手的聲音，歌手傳聲器緊靠歌手的嘴部，可從信號中聽到的歌聲沒有延時，而吉他傳聲器遠離歌手，所以它拾取的歌聲信號是延時了的。當把兩支傳聲器的信號混合后，由于兩支傳聲器之間的相位干涉，時常可以聽到一種聲染色的音質。

假如用一支置于舞臺地板上的短傳聲器架上的傳聲器為舞臺劇進行錄音。這支傳聲器既拾取來自演員的直達聲，同時，又拾取從地板反射回來經過延時了的反射聲。直達聲和延時后的反射聲在傳聲器上相混合后，就會引起相位抵消。當演員在舞臺上邊走邊說話的時候，會聽到有變化的那種空洞的、濾去了某些音色的聲音。

2.6 諧波

在圖2中所示的波的類型叫做正弦波。它是一種單一頻率的純音，像從聲音振蕩器上發出的聲音那樣都是純音。而與此相反，大多數的音樂聲音有一種很復雜的波形。它的全部聲音是由不同頻率和幅度的正弦波所組合而成。圖7畫出了由3個不同頻率的正弦波組合而成的一個復合波形。

在復合波形中的最低頻率叫做基波頻率，它決定了聲音的音調。在復合波形中的那些較高的頻率成分叫做泛音或諧音。如果泛音頻率是基波頻率的倍數，那么這些泛音稱之為諧波。例如，基波頻率為200 Hz時，則二次諧波為400 Hz，三次諧波為600 Hz。

諧波和它們的幅度有助于鑒別聲音的音質或音色，有助于辨別聲音是鼓聲、鋼琴、電子琴、人聲等等。可播放在www.elsevierdirect.com/companions/9780240811444上的第5段音頻示例。一般來說，某些樂器帶有少許或微弱的諧波——例如長笛——可使聲音趨于純凈和平滑。帶有眾多或強烈諧波的樂器——例如小號或聲音變形吉他——可使聲音趨于明亮和鋒利。

用提升或衰減樂器聲中的諧波及基波頻率成分的均衡，可以改變已錄樂器聲的音質平衡。提升基波成分可以使聲音變得溫暖；衰減基波成分則會使聲音變得單薄；提升諧波成分可以使聲音變得明亮、精確或有豐富的高音；衰減諧波成分則會使聲音變得黯淡或受到壓抑。

通常，強奏樂器會增加樂器的諧波成分。所以，在強奏鋼琴時所發出的聲音要比輕柔地彈奏時的聲音更為明亮。

噪聲（諸如磁帶嘶聲）包含有很寬的頻率范圍，它是一種不規則的、不重復的波形。像镲片、軍鼓或某位歌手發出的“S”聲等都帶有一種嘶嘶聲或噪聲的特征。

2.7 包絡

鑒別聲音的另一個特征就是聲音的包絡。當一個音符發聲時，只要不是連續不變，而是在音量上有上升、維持一段短時間，然后返回至寂靜。這種一個音符在音量上的上升和下降被稱之為音符的包絡。包絡是連接了連續波的波峰，由此而構成一種音符。每一種樂器都有它們自己特有的包絡。

大多數包絡由4個部分組成：聲建立、衰減、持續和恢復，如圖8所示。在聲建立期間，音符從寂靜升至最大音量。然后從最大音量衰減到某一中等程度音量。這個中等程度音量為持續部分。在恢復期間，音符從持續期音量回落至寂靜。

像擊鼓時的撞擊聲，因為擊著鼓面的時間短促，所以，聲建立和衰落的時間都很快。其他如電子琴或小提琴音符的發聲，則持續時間較長些。它們有較慢的聲建立和較長的持續期。吉他的彈撥和镲片的撞擊聲有較快的聲建立和慢慢的恢復時間，所以，撞擊聲強烈而淡出聲緩慢。可播放www.elsevierdirect.com/companions/9780240811444中的第6段音頻示例。

圖8 一個音符的包絡的四個部分

可以用手的側面阻尼弦的方法來縮短吉他弦的衰減期或響聲。同樣，用毛氈附在低音鼓的鼓槌上能阻尼低音鼓聲的衰減期，從而得到一種很緊密的鼓聲。

諧波成分通常在某個音符的包絡期間是有變化的。例如如果某件樂器有一種敲擊的聲建立期間——像吉他的撥擊聲或通通鼓的捶擊聲——那末在聲建立時的諧波成分是最強的，而在衰減期間則變得較弱。

（注：本文摘編自朱慰中譯《實用錄音技術》（第五版）第3章第1節、第2節內容，本刊略作編輯和刪減。）

（編輯 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