【秒懂音视频开发】06_重识声音

关于声音的知识,记得没错的话,是属于初中物理的内容。为了学好音视频,我们有必要重新温习一下声音的相关知识。需要提醒的是:本文的GIF动态图比较多,建议选择在网络较好的环境中阅读

产生

声音(Sound),是由物体的振动产生的。一切正在发声的物体都在振动。

  • 我们说话的时候,是声带在振动。一边说话一边用手捂住喉咙,就能感受到声带的振动

  • 蜜蜂飞过时发出嗡嗡嗡的声音,是翅膀在快速振动

声波

本质

关于声音的本质,推荐一份不错的参考资料:可汗学院的《Introduction to sound》

以扬声器为例子,扬声器发声时是振膜在振动。下图是放了块小纸片到振膜上,振膜的振动导致小纸片“跳起了街舞”。

振膜的振动会导致振膜旁边的空气振动,然后导致更大范围的空气跟着一起振动,最后耳朵旁边的空气也开始振动。

空气的振动带来了动能(Kinetic Energy),能量传入了耳朵中,最后就听到了声音。

所以,扬声器可以通过空气来传播能量,而不是传播空气本身。

如果传播的是空气,那么表现出来的形式就不是声音,而是风(Wind)。

声音与有着相同的关键特征:可以通过介质传播能量,而不是传播介质本身。

  • 因此,我们也把声音称为声波

  • 声音的传播介质可以是气体、液体、固体,比如:2个人面对面交流时,声音是通过空气传播到对方耳中

疑惑

学到这里,就可以解开一个很多人长期以来的疑惑了:为什么自己录下来的声音和平时说话的声音,听起来会不太一样?

  • 当自己说话的时候,实际上自己听到了2个声音,分别来自2种不同的传播介质
    • 图①:声波 → 空气 → 耳朵
    • 图②:声波 → 血肉、骨骼等介质 → 耳朵
  • 录制声音时
    • 图③:声波 → 空气 → 录音设备
  • 当听自己录下来的声音时,自己只听到了1个声音
    • 图④:声波 → 空气 → 耳朵
  • 所以,平时别人耳中听到的你说话的声音,就是你录音中的声音

人耳

另外,人耳又是如何听到声音的呢?大概过程是:声源 → 耳廓(收集声波) → 外耳道(传递声波) → 鼓膜(将声波转换成振动) → 听小骨(放大振动) → 耳蜗(将振动转换成电信号) → 听觉神经(传递电信号) → 大脑(形成听觉)

振幅

如果只关注单个空气分子,可以发现:它来回振动的轨迹,就是一个正弦或余弦函数的曲线图。

横轴:代表时间。

纵轴:代表空气分子来回振动时产生的位移。

蓝色的中心线:代表该空气分子的未受振动干扰时的位置(平衡位置,Equilibrium Position)。

从平衡位置到最大位移位置之间的距离,叫做振幅(Amplitude)。

周期

空气分子完全来回振动一次所花费的时间,叫做周期(Period),单位是秒(s)。

频率

物体每秒来回振动的次数,叫做频率(Frequency),也就是周期分之一。

  • 单位是秒分之一(1/s),也称为赫兹(Hz)
  • 比如440Hz代表物体每秒来回振动440次
  • 因此,频率用来表示物体振动的快慢

理论上,人类的发声频率是85Hz1100Hz,人类只能听见20Hz20000Hz之间的声音。

  • 低于20Hz的称为:次声波(Infrasound)
  • 高于20000Hz的称为:超声波(Ultrasound)

音调

频率越高,音调就越高。

频率越低,音调就越低。

通常女生讲话时,声带振动的频率就比较高,因此我们听到的音调就高,有时会有点刺耳,而男生讲话时,声带振动的频率就比较低,因此我们听到的音调就低,显得比较低沉。

响度

当提高声音的响度(音量,大小)时,振动的幅度会变大。

我们常用dB(分贝)来描述声音的响度。

0分贝 刚能听到的声音
15 分贝以下 感觉安静
30 分贝 耳语的音量大小
40 分贝 冰箱的嗡嗡声
60分贝 正常交谈的声音
70分贝 相当于走在闹市区
85分贝 汽车穿梭的马路上
95分贝 摩托车启动声音
100分贝 装修电钻的声音
110分贝 卡拉OK、大声播放MP3的声音
120分贝 飞机起飞时的声音
150分贝 燃放烟花爆竹的声音

音色

概念

音色(Timbre)是指声音的特色。

  • 不同的声源由于其材料、结构不同,则发出声音的音色也不同
  • 我们之所以能够根据声音区分出不同的乐器、不同的人,都是因为它们的音色不同
  • 不同音色的声音,即使在同一响度和同一音调的情况下,也能让人区分开来

微信的声音登录功能,就是基于不同人不同声色的原理,为每一个人私人定制一把声音锁。

原理

通常声源的振动产生的并不是单一频率的声波,而是由基音和不同频率的泛音组成的复合声音。

  • 当声源的主体振动时会发出一个基音
  • 同时其余各部分也有复合的声源,这些声源组合产生泛音

音调是由基音决定的,而音色主要取决于声音频谱结构中的泛音多少。

噪音

物理学角度

从物理学角度上讲,噪音(噪声,Noise),是指声源作无规则振动时发出的声音(频率、强弱变化无规律)。

环境保护角度

从环境保护角度上讲,凡是妨碍人们正常休息、学习、工作的声音,以及对人们要听的声音产生干扰的声音,都可以称之为噪音。

影响

长期的噪音可以影响人的身心健康。

  • 噪音可能导致各种不同程度的听力丧失

    • 长时间处于85分贝以上的噪音可以影响人的听力
    • 响于120分贝的噪音可以使人耳聋
  • 噪音还会提高人体内皮质醇的分泌,进而导致高血压、心脏病和胃溃疡

  • 噪音影响心血管的健康、睡眠的品质、甚至胎儿的发育

  • 噪音所引起的听力损伤、心血管伤害,也会造成生殖能力、睡眠、心理的影响

讨厌的声音

大多数人都无法忍受指甲划过黑板的声音,甚至一想到都会觉得烦躁。

研究

研究表明:

  • 这种让人讨厌的噪音和婴儿啼哭及人类尖叫的声音有着相同的频率
  • 人耳对2000Hz~4000Hz范围内的声音是难以接受的
  • 而指甲刮黑板声音的特殊之处,就在于它的频率,正好处于2000Hz~4000Hz频段内

大脑中的杏仁核在听到指甲刮黑板的声音时,会异常兴奋,于是霸道地接管了大脑听觉的任务,向听觉皮层发出痛苦的信息。

五大人类讨厌的声音

第一:刀子刮玻璃瓶声。

第二:叉子刮玻璃声。

第三:粉笔刮黑板声。

第四:尺子刮玻璃瓶声。

第五:指甲刮黑板声。

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