【中图分类号】Q62【文献标识码】C

【文章编号】1006-7299(2000)01-0059-02

听觉是声音作用于听觉系统引起的感觉。声音是一种振动，是由一定的能量作用于可振动的物体而产生并由介质传播的波，即从振动物体发出来的。陆生动物 听到的主要是气播声，传播介质是空气，声波在空气中传播的速度约为340m/s。用橡皮槌敲音叉时可以听到音叉发出的声音。用手指轻轻接触发声的音叉的叉枝可以直接感觉到它的振动，尤其是C₁或C₂低频振动感更强。物体的振动有快有慢，因而声波的频率也有高有低。人耳能够听到的声音频率范围是大致从20～20 000 Hz。不能引起我们听觉的低于可听声的叫次声(次声频率高限大致为20 Hz)，高于可听声的叫超声波(大致高于20 000 Hz)。而人的语言频率主要在500 Hz～3 000 Hz范围内。

1声波在传播中的性质

声音在介质中传播时并不是介质随声波向前移动，而是在声场的某一空间位置上介质分子只随压力的变化而原地周期性地压缩和稀疏，形成所谓疏密波。最简单的振动为简谐振动，它的波形是正弦波，产生的声音称为纯音。

1.1声波的反射与折射

声波在传播过程中，遇到两种介质的交界面时，一部分声波透过界面进入第二介质，另一部分返回第一介质。返回第一介质的声波称为反射波。透入第二介质的声波在一般情况下，改变了传播的方向，故而称为折射波(亦称透射)。而原来第一介质中的声波则称为入射波。

1.2声波的衰减与吸收

声波在介质中传播时，声能将随着距离的增大而逐渐减少。一类是由于声音本身的扩散以及反射，散射等原因，使能量分散而降低声能，这种现象称声能的衰减，亦即声波的衰减。另一类是由于介质对声波的吸收作用，将声能转换成热能，使声能减少，这称做声能的吸收现象。

1.3声波的干涉与绕射

当两个或几个相干声波(频率相同，振动方向在同一直线上，位相差恒定)在空间某一点相遇而迭加或抵消，于是该点就表现出声音的加强或减弱现象，这种现象即是声波的干涉。

声波能绕过障碍物的边缘前进，此现象称为绕射，亦称衍射。但这种障碍物的尺度必须小于或不大于前进声波的波长，才能不发生声影而产生绕射。实验证明300 Hz的声波无论从头的哪一方位来，都不会影响对侧耳的听力。但对于高频，特别是16 000 Hz的声波，头部可妨碍声音传到对侧耳而形成声影区。

1.4混响

如果声音是在室内传播，则声音传至墙壁和天花板处将有一部分被吸收，而另一部分发生反射，反射声再次传至另一墙壁或天花板处均有一部分声能被吸收，因而经过一段时间的多次反射后声音强度将逐渐减弱，一直到声强降低到听阈之下。这种在声源停止之后，声音在室内并不立即消失，而是延续一个时刻的现象称为混响。声强减弱为初始强度的百分之一所经历的时间，称为混响时间。混响时间决定于房屋建筑材料和室内装配物的吸音系数。测听室混响时间会对声测试信号的衰减有影响，故常采用吸音系数大的物质材料作室内墙壁装饰物。

1.5声共振

物体的振动需要外力策动，当振动的物体在周期性的外力作用下，且这个外力的作用频率与振动物体的固有频率相等，此时振动物体获得的能量最大，振幅也最大，这种现象称为共振。与物体固有频率相等的外力作用频率称为共振频率。例如取两个频率相同的音叉，把它们各自固定在一个木质的匣子上(以增强它的发音)，彼此相距一定的距离，首先敲击其中一个音叉，使其强烈振动并发出较强的声音，若过一会突然用外加阻力的办法停止其发音。第二个音叉虽未受到敲击，却也在振动并发出声音，这就是一个声共振现象。

在制造扬声器、耳机等电声器件时，必须避开共振现象来获得频响较宽而平的声源。在听觉生理中，外耳与中耳的传音作用，耳蜗对声音频率的分辨过程中也都要涉及到共振问题。

2声音的物理参量

2.1频率、周期及波长

频率是质点每秒的振动周期数，用f表示，以Hz为单位，质点振动一次即为一个周期，周期用T表示，以秒为单位，周期是频率的倒数，即：T=1/f。周期与波长的关系如(1)式：

λ=C·T(1)

式(1)中：λ—波长，C—声速。例如在空气中声波传播速度约为340 m/s，则1 000 Hz的纯音的波长约为34 cm。

2.2相位及相位角

相位指质点在周期性运动中某一瞬间与振动周期相应的时间位置。从某种意义上说，在周期性物体运动中，相位也可以是表示时间特性的一种方式。实际上，比较重要的不是相位的本身，而是两个周期性相同的物理变量之间的相位差，也就是两个物理量之间的时间关系。一个周期以360度计算，设定一点为0度，如在耳机给声时，若以膜片向外推出达到最大点时为0度，则膜片向内收达最大点时便为180度，以前者为中心的半周称为密相，另半周称为疏相。疏相时镫骨底板往外拉，基底膜向蜗管方向上移，一般认为这时毛细胞和听神经纤维被兴奋。两耳在接受声音时的相位差在双耳听觉和声源定位中有重要意义。

2.3频谱

一个周期性复杂波形如图1d所示，是由几个周期和幅值不同的纯音(图1a、b、c)等效组合而成为一个复杂波形。这一原理是由法国数学家傅立叶于1800年提出的，并命名为傅立叶分析法。傅氏分析法表明：任何周期性波能用一系列频率确定的纯音表示。这些纯音构成一傅立叶级数，其中最低频率纯音是这一傅立叶级数的基频(图1a)，其它纯音频率亦称谐波为基频的整数倍(图1b、c)。如果级数的每一谐音的幅值用一个纵线图来表示(如图2所示)。这种表示方法简洁方便且和图1表达同样的信息，此图称为线性频谱或离散频谱。傅氏分析法目前最为普遍应用的为快速傅立叶变换(FFT)。FFT用于分析非周期性信号时，则考虑此信号实际为一周期信号，只不过是将谐波数看成近于无穷大，因此其基频变得很低(接近于0)，在线性频谱上无数谐波通过无数条纵线表示，而且纵线变得非常接近，通常只画线的顶点，则得出如图3表示的一个非周期的声音(噪声)和它的频谱。

图1傅立叶级数

a.基本组成单元b.第二次谐波c.第三次谐波

d.不是纯音的周期波，但是三个纯音的总和数(a,b,c)构成的一个谐波级数

图2图1(d)波形的线性谱

图3非周期信号a.噪声波b.噪声波频谱图

在听力学和言语方面通常遇到的FFT分析法是指将复合声波(如噪音、言语声等)分析为一系列正弦波进行分级后，将复合声中所含各个频率成份以振幅为纵坐标(表示声音的强度)，频率为横坐标，按频率从低向高依次排列而得到的频谱(图2，图3b)。典型例子为纯音在FFT分解中所得的频谱图为一垂直线。若一个图上同时表示声音的频率和强度在时间上变化(三维)称为动态频谱(dynamic spectrogram)，通常以纵坐标表示频率，亮暗度表示强度，横坐标表示时间。如图4所示的为语言声的动态频谱，它是临床语言声学研究的基本工具。(待续)

图4语言的三维谱图

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