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聲現象,系指任何與聽覺有關的事物。聲音由物體(比如樂器)的振動而產生,通過介質傳播到耳鼓,耳鼓也產生同率振動。一切發聲的物體都在振動,振動停止,發聲也停止。振動的物體叫聲源。

1 聲現象 -定義

  就該詞的本義,系指任何與聽覺有關的事物。但依通常所用,其一系指物理學中關於聲音的屬性、產生和傳播的分支學科;其二系指建築物適合清晰地聽講話、聽音樂的質量。

  聲音頻率的高低叫做音調。 聲音的三個主要的主觀屬性 即音量(也稱響度)、音調、音色(也稱音品) 之一。表示人的聽覺分辨一個聲音的調子高低的程度. 音調主要由聲音的頻率決定,同時也與聲音強度有關。對一定強度的純音,音調隨頻率的升降而升降;對一定頻率的純音、低頻純音的音調隨聲強增加而下降,高頻純音的音調卻隨強度增加而上升。

2 聲現象 -發生

  聲音由物體(比如樂器)的振動而產生,通過介質傳播到耳鼓,耳鼓也產生同率振動。一切發聲的物體都在振動,振動停止,發聲也停止。振動的物體叫聲源。

  不同的樂器和人聲會發出各種音質(quality)不同的聲音,這是因為幾乎所有的振動都是複合的。如一根正在發音的小提琴弦不僅全長振動,各分段同時也在振動,根據分段各自不同的長度發音。這些分段振動發出的音不易用聽覺辨別出來,然而這些音都納入了整體音響效果。泛音列中的任何一個音(如G,D或B)的泛音的數目都是隨八度連續升高而倍增。泛音的級數還可說明各泛音的頻率與基音頻率的比率。如大字組「G」的頻率是每秒鐘振動96次,高音譜表上的「B」(第五泛音)的振動次數是5*96=480,即每秒鐘振動480次。

  儘管這些泛音通常可以從複合音中聽到,但在某些樂器上,一些泛音可分別獲得。用特定的吹奏方法,一件銅管樂器可以發出其他泛音而不是第一泛音,或者說基音。用手指輕觸一條弦的二分之一處,然後用弓拉弦,就會發出有特殊的清脆音色的第二泛音;在弦長的三分之一處觸弦,同樣會發出第三泛音等。(在弦樂譜上泛音以音符上方的「o」記號標記。自然泛音「natural harmonics」是從空弦上發出的泛音;人工泛音「artificial harmonics」是從加了按指的弦上發出。)

3 聲現象 -傳播

  聲音靠介質傳播。

  一切氣體、液體、固體都能傳聲,這些傳聲的物質總稱為介質。在不同介質中,聲音的傳播速度不同,在固體中最快,在液體中更慢,在氣體中最慢。聲音在15攝氏度空氣中的傳播速度為340m/s。

  回聲:聲音在傳播過程中遇到障礙物被反射回來,就形成了回聲。

  回聲的利用:回聲使原聲加強,利用回聲測距、測深。

  一條弦、一個鼓面或聲帶等的振動使附近的空氣粒子產生同樣的振動,這些粒子把振動又傳遞到其他粒子,這樣連續傳遞直到最初的能漸漸耗盡。壓力向鄰近空氣傳播的過程產生我們所說的聲波(sound waves)。聲波與水運動產生的水波不同,聲波沒有朝前的運動,只是空氣粒子振動併產生鬆緊交替的壓力,依次傳遞到人或動物的耳鼓產生相同的影響(也就是振動),引起我們主觀的「聲音」效果。

  判斷不同的音高或音程,人的聽覺遵守-條叫做「韋伯-費希納定律」(Weber-Fechner law)的感覺法則。這條定律闡明:感覺的增加量和刺激的比率相等。音高的八度感覺是一個2:1的頻率比。對聲音響度的判斷有兩個「極限點」:聽覺閥和痛覺閥。如果聲音強度在聽覺閥的極限點認為是1,聲音強度在痛覺閥的極限點就是1兆。按照韋伯-費希納定律,聲學家使用的響度級是對數,基於10:1的強度比率,這就是我們知道的1貝(bel)。響度的感覺範圍被分成12個大單位,1貝的增加量又分成10個稱作分貝(decibel)的較小增加量,即1貝=10分貝。1分貝的響度差別對我們的中聲區聽覺來說大約是人耳可感覺到的最小變化量。

  當我們同時聽兩個振動頻率相近的音時,它們的振動必然在固定的音程中以重合形式出現,在感覺上音響彼此互相加強,這樣一次稱為一個振差(beat)。鋼琴調音師在調整某一弦的音高與另一弦一致的過程中,會聽到振差在頻率中減少,直到隨正確的調音逐漸消失。當振差的速率超過每秒鐘20次,就會聽到一個輕聲的低音。

  當我們同時聽兩個很響的音時,會產生第三個音,即合成音或引發音(combination tone或resultant tone)。這個低音相當於兩個音振動數的差,叫差音(difference tone)。還可以產生第四個音(一個弱而高的合成音),它相當於兩個音振動數的和,叫加成音(summation tone)。

  同光線可以反射一樣,亦有聲反射(reflection of sound),比如我們都聽到過的回聲。同理,如果有阻礙物擋住了聲振動的通行會產生聲影(sound shadows)。然而不同於光振動,聲振動傾向於圍繞阻礙物「衍射」(diffract),並且不是任何固體都能產生一個完全的聲影。大多數固體都程度不等地傳遞聲振動,而只有少數固體(如玻璃)傳遞光振動。

  共鳴(resonance)一詞指一物體對一個特定音的響應,即這一物體由於那個音而振動。如果把兩個調音相同的音叉放置在彼此靠近的地方,其中一個發聲,另一個會產生和應振動,亦發出這個音。這時首先發音的音叉就是聲音發生器(generator),隨後和振的音叉就是共鳴器(resonator)。我們經常會發現教堂的某一窗戶對管風琴的某個音產生反應,產生振動;房間里的某一金屬或玻璃物體對特定的人聲或樂器聲也會產生類似的響應。

  從共鳴這個詞的嚴格科學意義說,這一現象是真正的共鳴(「再發聲」)。這一詞還有不太嚴格的用法。它有時指地板、牆壁及大廳頂棚對演奏或演唱的任何音而不局限於某個音的響應。一個大廳共鳴過分或是吸音過強(「太干」)都會使表演者和觀眾有不適感(一個有回聲的大廳常被描述為「共鳴過分」,其實在單純的聲音反射和和應振動的增強之間有明確的區別)。混響時間應以聲音每次減弱60分貝為限(原始輻射強度的百萬分之一)。

  牆壁和頂棚的製造材料應是既迴響不過分又吸音不太強。聲學工程師已經研究出建築材料的吸音的綜合效能係數,但是吸音能力難得在音高的整體幅面統一貫穿進行。只有木頭或某些聲學材料對整個頻率範圍有基本均等的吸音能力。放大器和揚聲器可以用來(如今經常這樣使用)克服建築物原初設計不完善所帶來的問題。大多數現代大廳建築都可以進行電子「調音」,並備

  有活動面板、活動天棚和混響室可適應任何類型正在演出的音樂。

  聲學是研究媒質中聲波的產生、傳播、接收、性質及其與其他物質相互作用的科學。

  聲學是經典物理學中歷史最悠久而當前仍在前沿的一個分支學科。因而它既古老而又頗具年輕活力。

  聲學是物理學中很早就得到發展的學科。聲音是自然界中非常普遍、直觀的現象,它很早就被人們所認識,無論是中國還是古代希臘,對聲音、特別是在音律方面都有相當的研究。中國在3400多年以前的商代對樂器的製造和樂律學就已有豐富的知識,以後在聲音的產生、傳播、樂器製造、樂律學以及建築和生產技術中聲學效應的應用等方面,都有許多豐富的經驗總結和卓越的發現和發明。國外對聲的研究亦開始得很早,早在公元前500年,畢達哥拉斯就研究了音階與和聲問題,而對聲學的系統研究則始於17世紀初伽利略對單擺周期和物體振動的研究。17世紀牛頓力學形成,把聲學現象和機械運動統一起來,促進了聲學的發展。聲學的基本理論早在19世紀中葉就已相當完善,當時許多優秀的數學家、物理學家都對它作出過卓越的貢獻。1877年英國物理學家瑞利(Lord John William Rayleigh,1842~1919)發表巨著《聲學原理》集其大成,使聲學成為物理學中一門嚴謹的相對獨立的分支學科,並由此拉開了現代聲學的序幕。

4 聲現象 -音調、響度、音色

  音調

  音調(pitch)指聲音的高低,取決於物體振動的速度。物體振動快就產生「高音」,振動慢就產生「低音」。物體每秒鐘的振動速率,叫做聲音的「頻率」。所以物體振動快,頻率大,音調高;物體振動慢,頻率小,音調低。

  較小的樂器產生的振動較快,較大的樂器產生的振動較慢。如雙簧管的發音比它同類的大管要高。同樣的道理,小提琴的發音比大提琴高;按指的發音比空弦音高;小男孩的嗓音比成年男子的嗓音高等等。制約音高的還有其他一些因素,如振動體的質量和張力。總的說,較細的小提琴弦比較粗的振動快,發音也高;一根弦的發音會隨著弦軸擰緊而音升高。

  響度

  響度(loudness)指聲音的大小,取決於發聲體振動的「振幅」。振幅是指物體振動時偏離原來位置的最大距離。比如,用力地用琴弓拉一根小提琴弦時,這根弦就大距離地向左右兩邊擺動,由此產生強振動,發出一個響亮的聲音;而輕輕地用琴弓拉一根弦時,這根弦僅僅小距離左右擺動,產生的振動弱而發出一個輕柔的聲音。

  響度還跟距離發聲體的遠近有關。增大響度的方法:在聲源處減小聲音分散,在傳播過程中減小聲音分散,在人耳處減小聲音分散。

  音色

  音色:在音調、響度都相同時,不同物體振動時發生的聲音也不同,這就是音色。

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