书城科普读物智慧百科(科学卷)
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第18章 声音

声波

声源体发生振动会引起四周空气振荡,那种振荡方式就是声波。声以波的形式传播着,我们把它叫做声波。声波借助空气向四面八方传播。在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐吹大的肥皂泡,是一种球形的阵面波。声音是指可听声波的特殊情形,例如对于人耳的可听声波,当那种阵面波达到人耳位置的时候,人的听觉器官会有相应的声音感觉。除了空气,水、金属、木头等也都能够传递声波,它们都是声波的良好媒质。在真空状态中声波就不能传播了。扬声器、各种乐器以及人和动物的发音器官等都是声源体。地震震中、闪电源、雨滴、

刮风、随风飘动的树叶、昆虫的翅膀等各种可以活动的物体都可能是声源体。它们引起的声波都比正弦波复杂,属于复合波。地震产生多种复杂的波动,其中包括声波,实际上那种声波本身是人耳听不着的,它的频率太低了。声波是大气压力之外的一种超压变化。声波不是冲击波,声波前进的过程是相邻空气粒子之间的接力赛,它们把波动形式向前传递,它们自己仍旧在原地振荡,也就是说空气粒子并不跟着声波前进。同样,在语音研究中要区分气流与声波,它们是两回事。在发音器官里,声带、舌尖或小舌的颤动,以及辅音噪声的形成等,都离不开气流的作用,但是气流不是声波的代名词。所谓“浊音气流”、“清音气流”的说法似乎包含了极其含混的意思。

声发射和声吸收

声发射是指在固体材料内由于能量的迅速释放而产生的瞬时弹性波现象。声发射与材料中的局部不稳定状态有关,它是材料中局部能量再分布的结果,这种能量的再分布往往是材料损坏前的征兆。因此,可以利用声发射来研究固体材料,也可用来作为对材料无损检测的一种方法。声发射技术是以声发射现象为依据发展起来的,有着多方面的应用。产生声发射的源是一种微动态变形的过程,例如双晶的形成、马氏体相变、位错断裂和空位聚合等现象。在许多材料中由于范性形变而引起的整体沉陷要产生声发射。在交错的位错聚合处产生破裂核心也是导致声发射的原因。有些情形下,如晶粒间或晶粒内的断口、脆裂和破裂扩展都会发生较大的声发射。声发射大多是产生一系列的声脉冲波,在一定时间内声脉冲的强度和数目的多少往往是判断声发射情况的依据。

在实际传声媒质里声能传播的途中渐转变成热,从而出现随距离而逐渐衰减的现象,我们说是声吸收现象。实际的传声媒质(包括各种气体、液体和固体以及其他物态)都是非理想的。声吸收过程是一个耗散过程。引起媒质对声吸收的原因很多。在静止和均匀流体媒质中主要原因有媒质的粘性、热传导以及媒质的微观动力学过程引起的弛豫效应等;在非纯媒质(如大气中含有灰尘粒子、液态雾滴等)中,在声波作用下,这些悬浮体对媒质作相对运动而产生的摩擦损耗,以及在水雾中的弛豫效应等也是引起声吸收的原因。

噪声

噪声从物理本性上可分为电噪声和声噪声两大类。前者是由于电磁扰动产生的,是相对于电信号的一种干扰;后者是由于机械扰动引起的,是机械噪声。

噪声对人的影响包括对人产生生理损伤的影响;使人引起各种心理反应的影响;以及语言干扰的影响等等。噪声的生理损伤是指长期处在噪声过强的环境中工作,会引起听力损失或噪声性耳聋,甚至会导致某些疾病。噪声不仅危害听力,也可导致其他疾病,如心血管疾病等。噪声引起的心理影响如噪声引起烦恼、降低工效、分散注意力和妨碍睡眠等等。这些影响不仅受心理活动和环境条件的制约,而且个体差异的分散性也比生理损伤大得多。

录音

录音是将声音信号记录在媒质上的过程,将媒质上记录的信号重放出声音来的过程称为放音。录音和放音两过程合称录放音。常见的有唱片录放音,磁带录放音和光学录放音。就录放音制式而言,有单声道和立体声录放音之分。单声道录放音过程包括传声器拾音、放大、录音,再由单个放大器和扬声器系统重放。双声道立体声录放音是基于人的双耳定位效应和双声源听音效应,由双声道系统完成记录和重放声音的过程。

①唱片录放音。包括机械录放音和激光录放音。机械录放音是用机械刻录的方法,将声音信号记录在载音体上,为美国的Т.A.爱迪生于1877年所发明。1900年出现圆盘形唱片。唱片的转速分78、33、45转/分三种。1958年,立体声唱片正式商品化。重放唱片须用电唱盘上的拾音器进行机-电换能来拾取唱片上已刻录的音频信号,激光录放音是20世纪70年代末期唱片向数字化发展的成果。录放声音的媒质称激光唱片。②磁带录放音。将声音信号转换成相应变化的磁场,以剩磁的形式记录在磁带上的过程,称磁性录音。其原理是基于硬磁性材料被磁化后留有剩磁以及一长条硬磁性材料可以分段磁化的现象。录有声音信号的磁性媒质以与录音相同的速度通过有缝隙的环形放音磁头,记录在媒质上的磁通就会在磁头线圈中感应出与信号相应的电动势,经放大后重放出原来的声音。磁带录音机主要分盘式和盒式两种。

MP3

MP3是用来播放MP3格式音乐(现在可以兼容wma,wav等格式)的一种便携式的播放器。便携式MP3播放器最初由韩国人文光洙和黄鼎夏于1997年发明,并申请了相关专利。MP3作为一种音乐格式--MPEG-1AudioLayer3,经常称为MP3,是当今较流行的一种数字音频编码和有损压缩格式,它设计用来大幅度地降低音频数据量,而对于大多数用户来说重放的音质与最初的不压缩音频相比没有明显的下降。它是在1991年由位于德国埃尔朗根的研究组织Fraunhofer-Gesellschaft的一组工程师发明和标准化的。

MP4

MP4最初是一种音频格式和MPEG-4没有太大的关系,就像MP3和MPEG-3没有关系一样。MP4是MPEG-2AAC完完全全的一种音频压缩格式,增加了诸如对立体声的完美再现、多媒体控制、降噪等新特性,最重要的是MP4通过特殊的技术实现数码版权保护这是MP3所无法比拟的。现在市面上的MP4多数偏向于多媒体播放器,一般视为能播放视频的MP3,这种播放器其实不算是MP4,本质上是MP3,视频播放只不过是其附件功能,被称作MP4,纯粹是商业炒作。这种播放器局限性极大屏幕很小(0.8~1.8英寸),闪存容量小,支持特定的格式(MTV、MP4、MPV和DMV等),而且大多数是采用OLED和CSTN等低端屏幕,所以准确地说,这只能称作可播放视频的MP3。

MP5

MP5是MPEGPlayer5的简称,它是由国内科技厂商自行开发出的演算法。MP5音乐是一种音效档格式,它其实是将可以将一首完整的wav、mp3或是cda的声音档,经由MP5的压缩技术,产生压缩的比例大约1∶10的音乐声音档。一般的声音、歌曲所包含的频率除了人类听得见的,其实还有人类听不见的。MP5压缩演算法就是预先替使用者过滤掉这些无法感知的声音,并大幅减少声音数位化后所需的储存空间。

用MP5压缩演算法来处理音乐,是属于一种特殊的压缩方式,也因为如此,才能达到高压缩比的目的。使用这种特殊的压缩结果是,还原音效时难免会造成少许失真,但这些失真是在人耳可以接受的范围内,不过压缩比过于提高时,产生的失真将会较多。MP5压缩技术就是将人类耳朵听不见的声音频率给消灭掉以达到压缩的目的。因此原始声音的某些部份被丢掉了,声音档案大小也因此被缩减,这就是MP5压缩技术的原理。

MP5使用了特殊的压缩技术,我们还是不容易察觉出来的,因为它压缩之后让人听起来像是没有经过压缩一样。MP5将wav、mp3或是cda的歌曲压缩成短小而易于管理的音乐文件,在不损坏声音质量的前提下,一个40多兆的WAV音乐文件可被压缩成4兆的MP5歌曲;一张只能存储十几首歌曲的CD光碟,能存放一百多首MP5数位音乐,而音质几乎与MP3音乐没有区别。

电子音响

音响是指除了人的语言、音乐之外的其他声响,包括自然环境的声响、动物的声音、机器工具的音响、人的动作发出的各种声音等。音响是由卡座、CD、功率放大器和扬声器等构件组成。严格来说只要看的见图像听的到声音我们就可以把这种场景叫做AV,从字面意思来讲,AV的意思就是是英文单词AUDIO(音频信号)和VIDEO(视频信号)头一个字母的组合,HI-FI是“高度保真”的意思。AV音响与HI-FI音响的区别首先在价格上,AV音响的价格与HI-FI音响的价格有很大的差距,一套中高档AV音响的价格往往只能购买一套入门级的HI-FI系统,所以价格是AV音响与HI-FI音箱的一个重要区别。其次在音箱的数量和品质要求上,AV音响与HI-FI音箱的要求完全不同,AV音响一般多是由几个音箱构成,这些音箱包括了卫星环绕箱和重低音效果箱,这些音箱与HI-FI音箱相比,更注重音箱的功率、频响、失真效果要求等指标,除了这些以外,AV音箱更注重多音箱之间的协同配合效果,而HI-FI音箱则是与AV音响完全相反,HI-FI音箱是由两个音箱组成,这种音箱都具有音乐还原能力和声音效果,不具有声音渲染能力,可以保证比较高的声音真实回放。当然随着人们对声音效果要求的不同,AV音响和HI-FI音箱更像着相同的方向发展,AV音箱也开始逐渐注意声音音质的提高,而HI-FI音箱和逐渐在加强音效,未来几年内,我们可能会看到更多的AV-HI-FI音箱的组合体。