声波是如何工作的？

我们一生都生活在声音的包围之中。它们以每小时 700 多英里的速度不断撞击我们，有时让我们感到疼痛，有时让我们感到舒缓。它们能够传达思想、唤起美好回忆、引发争吵、娱乐观众、吓唬我们，或者让我们坠入爱河。它们可以引发一系列情绪，甚至造成身体伤害。这听起来像是科幻小说中的东西，但我们谈论的内容却是真实存在的，并且已经成为我们日常生活的一部分。它们是声波。那么，什么是声波？它们是如何工作的？

如果您不是音频行业从业者，您可能不会过多考虑声音的机制。当然，大多数人关心声音给他们带来的感觉，但他们并不关心声音对他们的影响。然而，了解声音的工作原理确实有许多实际应用，您不必是物理学家或工程师就可以探索这个迷人的主题。这里有一篇关于声音科学的入门书，可以帮助您入门。

波浪中有什么

当能量穿过水或空气等物质时，就会产生波。波有两种：纵波和横波。正如 NASA 指出的，大多数人想象波时想到的可能是横波——就像用于锻炼的战绳上下波动的波纹。纵波也称为压缩波，这就是声波。这些波没有垂直运动，而是沿着与扰动相同的方向移动。

声波的工作原理

声波是物体振动时释放的一种能量。这些声波从声源通过空气或其他介质传播，当它们接触到我们的耳膜时，我们的大脑会将压力波转化为我们能理解的文字、音乐或信号。这些脉冲可以帮助您确定周围环境中物体的位置。

我们还可以以更物理的方式体验声波，而不仅仅是生理方式。如果声波到达麦克风（无论是即插即用的 USB 直播麦克风还是录音棚级人声麦克风），它会将其转换成电子脉冲，然后通过振动扬声器将其重新转换为声音。无论是在家中还是在音乐会上聆听，我们都能感受到胸腔中的低音。歌剧演唱家可以用它们来打碎玻璃。甚至可以看到声波穿过沙子等介质，留下一种声音足迹。

这种形状是起伏的波峰和波谷，这是正弦波（又称正弦曲线）的特征。如果波传播得更快，这些波峰和波谷就会靠得更近。如果波传播得更慢，它们就会散开。把它们想象成海洋中的波浪，这并不是一个糟糕的比喻。正是这种运动让声波能够做很多其他的事情。

关键在于频率

当我们谈论声波的速度时，我们指的是这些纵波从波峰到波谷再回到波峰的速度。上升……然后下降……然后上升……然后下降。技术术语是频率，但我们很多人都知道它叫音高。我们用赫兹 (Hz) 来测量声音频率，它代表每秒的周期数，频率越高，音调越高。例如，钢琴上中央 C 正上方的 A 音的频率为 440 Hz——它以每秒 440 个周期的速度上下移动。中央 C 本身的频率为 261.63 Hz——音高较低，以较低的频率振动。

了解频率在许多方面都很有用。您可以通过分析琴弦的频率来精确调音。录音工程师利用他们对频率范围的了解来调整均衡设置，帮助塑造他们正在混音的音乐的声音。汽车设计师利用频率以及可以阻挡频率的材料来帮助降低发动机噪音。主动降噪使用人工智能和算法来测量外部频率并产生逆波以消除环境的隆隆声和嗡嗡声，从而使顶级 ANC 耳机和耳塞能够将佩戴者与周围的噪音隔离开来。人类听觉的平均频率范围是 20 到 20,000 Hz。

名字意味着什么？

赫兹测量单位以证明电磁波存在的德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹的名字命名。

越来越兴奋

振幅相当于声音的音量或强度。使用海洋类比（因为它确实有效），振幅描述的是波浪的高度。

我们用分贝 (dB) 来测量振幅。dB 刻度是对数的，这意味着测量单位之间存在固定的比率。这是什么意思呢？假设您的吉他放大器上有一个刻度盘，上面有均匀分布的步进，从 1 到 5。如果旋钮遵循对数刻度，则当您将刻度盘从一个标记转到另一个标记时，音量不会均匀增加。如果比率为 4，则将刻度盘从第一个标记转到第二个标记会使声音增加 4 dB。但是从第二个标记转到第三个标记会使声音增加 16 dB。再次转动刻度盘，您的放大器音量将增加 64 dB。再转动一次，您将发出惊人的 256 dB — 足以震破您的耳膜。但如果您仍然站着，您可以再转动该旋钮一次，将音量增加到令人震惊的 1,024 分贝。这几乎比你遇到的任何摇滚音乐会都要响亮 10 倍，而且绝对会让你被赶出排练场地。这就是为什么真正的扩音器不是这样设计的。

双倍美好

我们将振幅增加 10 dB 解释为音量增加一倍。

声波的组成部分

音色和包络是声波的两个特性，它们有助于确定为什么两种乐器可以演奏相同的和弦但听起来却完全不同。

音色由和弦中音符组合形成的独特泛音决定。A 和弦中的 A 只是其基音 — 还有泛音和低音。这些音符组合在一起的方式有助于防止钢琴听起来像吉他，或防止愤怒的灰熊听起来像隆隆的拖拉机发动机。

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但我们也依赖包络，它决定了声音的振幅如何随时间变化。大提琴的音调可能会慢慢地升高到最大音量，然后保持一段时间，然后再慢慢消失。另一方面，关门的声音会发出快速、尖锐、响亮的声音，几乎立即停止。包络由四个部分组成：起音、衰减、延音和释音。事实上，它们更正式的名称是 ADSR 包络。

• 起音：指声音达到最大音量的速度。狗叫声的起音非常短；管弦乐队的起音较慢。
• 衰减：这描述了声音稳定到持续音量的速度。当吉他手拨动琴弦时，音符一开始很响亮，但很快稳定到较安静的音量，然后完全消失。达到持续音量所需的时间就是衰减。
• 延音：延音不是时间的量度，而是振幅或音量的量度。它表示拨弦音在初次起音后、渐弱前有多响。
• 释放：这是音符逐渐消失直至静音所需的时间。

声音的速度

科幻电影喜欢宇宙飞船爆炸时发出巨大、隆隆、环绕声的轰隆声。然而，声音需要通过介质传播，因此，尽管好莱坞的说法并非如此，但你永远听不到太空真空中的爆炸声。

声音的速度，即传播速度，取决于其所处介质的密度（甚至温度）——例如，声音在空气中的传播速度比在水中快。一般来说，声音传播的速度为每秒 1,127 英尺，或每小时 767.54 英里。当喷气式飞机突破音障时，其传播速度会比这更快。知道这些数字后，你可以通过计算闪光和雷声轰鸣之间的时间来估计雷击的距离——如果你数到 10，它大约在 11,270 英尺远，或大约四分之一英里。（当然，这是非常粗略的。）

一次激动人心的经历

任何人都可以从了解声音的基础知识和声波中受益。拥有家庭录音设备和录音室监听器的音乐家和内容创作者显然需要具备频率和振幅的实际知识。如果您主持播客，您将需要尽可能多的工具来确保您的声音清晰而丰富，这包括了解您的声音频率、最适合它们的麦克风以及如何设置您的房间以反射或减弱您想要或不想要的声音。在进行家庭装修项目时，掌握一些基础知识也很有用 - 例如，处理录音工作站，或只是隔音一个新的封闭甲板。谁知道呢，也许有一天你会想打碎玻璃。更好地了解声音的物理原理将为我们探索和体验周围的世界开辟新的奇妙方式。现在，出去制造一些声音吧！

这篇文章已更新。它最初于 2021 年 7 月 27 日发布。