声音是什么？

悠悠爸爸

  声音是什么？


  根据美国国家标准局/美国标准协会S1.1-2013的定义，声音是：1）通过内部作用力（弹性力或粘滞力），在介质中传递的压力、应力、粒子位移、粒子速率等方面的波动，或者这种传递的波动之间的叠加。2）由于前述的波动而激起的听觉感受。

  也就是说，声音是听觉感受到的在介质中传播的各种波动。

  声音可以在气体、液体和固体中以纵波的方式传播，在固体中还可以横波的方式传播。纵波就是波动的方向与传播方向平行，横波则是波动的方向与传播方向垂直。比如，水面的波纹就是横波，因为水面是在上下波动，而水波则是沿着水平方向传播的。

  声音的物理特性之一是音速。简化的关系式，音速与介质密度的平方根成反比，与介质的弹性模量的平方根成正比。

  比如水的密度是空气的800倍，而空气的可压缩性是水的15000倍，也就是说水的弹性模量是空气的15000倍，所以水中的音速是空气中的4.3倍。20℃在海平面的音速是343米/秒，淡水中的音速是1482米/秒。

  不同气体中音速不同，气体密度越小，音速就越快，比如氦气中的音速比空气中快。混合物的音速有加和效果，比如水蒸气密度比空气小，所以室温下空气湿度使得空气中的音速比干空气快0.1-0.6%，而空气中的二氧化碳则会让音速变慢。

  在不太大的温度范围内，对于同一种气体，音速只与温度有关，与压力无关。

  干空气中的音速 = 331.3 + 0.606 x T℃  米/秒

  不同季节，或者大气层不同高度，由于温度不同，音速是不同的。

  水中的音速则与温度、压力和含盐量有关，所以海洋不同深度的音速是不同的，通常1000米以内，音速随深度减小，1000米以上，音速随深度增加。

  固体中的音速与流体的特性不同，因为固体除了压缩特性，还有剪切特性，即可以弯曲复原。所以固体既可以传播压缩波（纵波），也可以传播剪切波（横波）。剪切波的音速，取决于固体的剪切弹性模量和密度，而压缩波的速度则取决于体弹性模量、剪切弹性模量和密度。所谓的杨氏模量是体弹性模量和剪切弹性模量的综合。比如，钢材中压缩波的音速大约是5960米/秒，而剪切波的音速大约为3200米/秒。

  对一个柱状的共振腔而言，共振频率 = 音速/4倍长度，由于音速与温度有关，则共振频率也受温度影响，每10℃温度差，共振频率有接近2%的差异。所以，大的温度变化对许多乐器的共振特性会有明显的影响。

悠悠爸爸

  声音的其它特性有：频率、振幅、强度和方向。这些都是可以检测的。

  作为人的听觉感受到的声音则有音高、音长、响度、音色、声音构成sonic texture、空间位置、噪声和声音场景soundscape等特性。

  音高直接跟声音频率关联。人耳能听到的频率范围在20-20000赫兹之间。低于20赫兹为次声波，许多哺乳动物能听见，比如大象通过次声波进行远距离联络，而狗却听不见低于40赫兹的声音。高于20000赫兹是超声波，狗能听见，蝙蝠和鲸类都使用超声波进行导航、搜索猎物和联络。

  简单的声音，感受到的音高是最低频率的振动，即基频谐波。复杂的声音，感受的音高可能不同。对同一个声音，有时不同个体可能基于对某些声音特征的经验，体会成不同的音高。挑选某个音高，是由潜意识对振动进行分析，包括其中不同的频率和这些频率之间的平衡，注意力会特别集中在识别潜在的谐波。听的过程中，每个声音都被分析以辨别其中重复的特征，并将分析的结果作为一个特定音高发送到听觉中枢。



  音高的感知

感知到的音长，与声音引起的神经反应的起始和终止信号相关，通常从一个声音被注意到，直到该声音发生变化或者停止。有时候，这个音长与该声音的真实物理时长并无直接关系，比如在一个嘈杂的环境中，有间隔的若干声音可能被听成一个连续的声音，因为同一带宽中的噪音干扰，造成终止信号丢失。




  音长的感知

  响度感受为一个声音多强或多弱，与各个短时间周期内（很可能是θ波周期的时长）总共有多少听觉神经被激发有关。因此，即使声音强度相同，在短的时长内，一个非常短的声音会比一个长些的声音听起来弱一些。时长超过200毫秒左右情况就不一样，声音的长短不再影响听觉感受到的声音强弱。可能是听觉神经以200毫秒为周期，把每个周期内的信号叠加起来再发送到听觉中枢。强的声音在耳蜗基底膜上刺激更多的神经细胞，产生一个强的信号。而一个复杂声音，与同样振幅的简单声音（比如正弦波）相比，照样引起更多的神经信号发射，听起来会更响一些。




  响度的感知

  声音的强度与听觉感受的响度是不同的。声音的强度是声音本身的特性，有声压、声强等不同的描述方式。其中声强是指每平方米面积上，每秒钟有多少能量的声音穿过。比如，在1000赫兹的频率上，人耳能听到的最弱声音是1皮瓦/平方米，以这个强度为0点，能量每增加10倍，为10分贝；能量增加10000亿倍，为120分贝，能量是1瓦/平方米。

  如果用声压表示，则是在1000赫兹频率，空气中声压20微帕的声压级为0点，这是人耳的听觉阈值，每增加10倍，声压级增加20分贝，增加100万倍，声压级为120分贝，此时声压为20帕，这只相当于2毫米水深产生的压强。

  这两种方式表达的声音强度是等价的。声音强度跟离声源的距离有关系。

  平静的呼吸                        10  分贝
  非常安静的房间                     20-30 分贝
  通常的谈话               1米       40-60 分贝
  家中电视                 1米       60  分贝
  不造成听力损害的最高噪音水平            70  分贝
  轿车                   10米     60-80  分贝
  长期暴露损害听力         耳朵处       85   分贝
  交通繁忙道路             10米      80-90  分贝
  气锤                   1米       100  分贝
  有立即导致听力损伤风险     耳朵处       120  分贝
  小号                  0.5米      130  分贝
  喷气发动机              100米     110-140 分贝

  声音的响度则是听觉的感受。即使是120分贝的强超声波或次声波，人还是会觉得响度为0。人耳最灵敏的听觉范围是3000-4000赫兹，听觉阈值大约是1000赫兹的1/5，而80赫兹声音的听觉阈值是1000赫兹的1000倍，而30赫兹则达到100万倍，10000赫兹大约是20倍。可见低音乐器要奏响是有些费劲的。



  等响度曲线

  未完待续。根据https://en.wikipedia.org/wiki/Sound整理，更多详情请看英文。