正文声学漫谈之一：声音三要素

声学漫谈之一：声音三要素

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(2016-5-30 20:09)

标签：声学，三要素

声学三要素是指：音调、音色、响度。任何复杂的声音都可以用此三个属性来描述，其分别对应声压的三个物理量：频率、相位、幅度。

音调：人耳对于声音高低的感觉，称为音调。音调主要与声音的频率有关，同时业余声压级和声音的持续时间有关。音调会随着频率的增大耳提高，但不是与频率成完全的线性关系。

音调的单位为“美”（Mel），定义40dB@1KHz纯音的音调为1000美。

需要注意的是，影响音调的因素还有声音的声压级，以及声音的持续时间。低频的纯音，声压级高的时候，要比声压级低的时候搞到音调变低；频率在1KHz~5KHz之间的纯音，音调几乎与声压级无关；频率再高的纯音，声压级升高时，会感到音调变高。

复音（是指由许多纯音组成的声音）的音调由复音中频率最低的声音决定，即由基音决定。复音的声压级高低对于音调的影响要比纯音小很多。

当声音持续时间在0.5s以下的时候，要比1s以上感到音调比较低。持续时间再短，为10ms左右的时候，会使得听音人感觉不出它的音调，只能听到“咔咔”的声音。

要想使人耳能够明确感觉出音调所必须的声音持续时间，随声音的频率不同而不同。频率低的声音要比频率高的声音需要更长的时间。

纯音的音调和频率的关系曲线图

音色：音色是指人们区别具有相同响度和音调的两个声音的主管感觉。每个人都有自己的独有音色，不同的乐器进行演奏的时候，人们也能区分出它们各自的音色。

人在讲话的时候，乐器在演奏的时候，都是复音，是由基频与谐频组成的声音。两个音调相同的声音，它们的基频是相同的，但是谐频的成分与大小可能不同，从而使人们感到其音色不同。

所以，音色主要是由声音的频谱决定的。但是需要特别注意的是，音色还与声音的强度、持续时间以及时间过程有关。

中西方不同乐器对应的频率范围如下表所示：

西洋乐器声源	频率范围（包括谐频）
小提琴	196Hz~16KHz
大提琴	65Hz~16KHz
低音提琴	41Hz~10KHz
小号	180Hz~10KHz
圆号	90Hz~8KHz
长号	80Hz~7KHz
高音萨克斯	200Hz~17KHz
低音萨克斯	58Hz~14KHz
钢琴	27Hz~12KHz

民乐声源	频率范围（基频）
粤胡	390Hz~2.6KHz
琵琶	108Hz~1KHz
三弦	87Hz~1.1KHz
扬琴	146Hz~1.1KHz
笙	217Hz~587Hz
笛子	217Hz~978Hz
唢呐	195Hz~522Hz

响度：人耳对于声音强弱的感觉，称为响度。声音的响度主要与声压有关，声压越大，响度也就越大。但是，响度与声压并不是成线性比例关系，而是大致与声压的指数成比例关系，这个指数大约为0.23。响度的这一听觉特性被称为“史蒂文指数定律”。

除此之外，响度还与频率、波形、声音的持续时间相关。

1、响度的频率特性。需要特别注意，人耳对于不同频率声音的响度感觉是不同的。也就是说，对于频率不同，而强度相同的声音，人耳会感觉到不同的响度。为了说明人耳的响度感觉，定义了响度级。响度级用来表示响度的大小，其单位为“方”（phon），符号为LN。定义一个声音的响度级在数值上等于和它同样响的1KHz纯音的声压级。

由此，人们通常通过等响曲线来表示具有相同响度级的纯音声压级随频率变化的特性。可以看到，在不同的频率条件下，响度相同的时候，需要的声压级是不一样的。

人耳听觉的频率特性曲线

等响曲线

2、响度持续时间的关系

响度除了与声压级、频率等相关因素有关以外，还与声音的持续时间有关。大量的测试结果表明：在100ms~200模式的持续时间以内，声音的响度随持续时间的增大而增大。所以，从某种程度上说，听觉是由记忆功能的。

以一个57dB、2KHz的纯音测试响度级随着持续时间的变化特性，可以得到响度级和持续时间的关系，如下图所示。

当持续时间大于100ms的时候，响度级基本保持在60方；当持续时间小于100ms时，响度级随着持续时间以大约每10倍时间10方的斜率下降：当持续时间从100ms下降到10ms的时候，响度级大约从60方下降到50方。

其他频率信号测试结果也类似。

所以，当人耳听到一个短促的脉冲声时，如果强度不变，长度由1ms变为2ms，则听起来不是声音的长度变了，而是更响了。因此，当人耳倾听频度超过一定值的一系列脉冲声时，并不能感觉到响度的不连续。这一现象类似于视觉的停留现象。

3、响度与声压级的关系

由于响度级“方”值并不是与人耳的感觉到的响度成正比例关系，为了计算方便，人们又定义了与人耳感觉成正比的响度单位“宋”（sone），符合为N。其规定为：声压级为40dB的1KHz纯音的响度为1宋，比它高一倍则为2宋，比它小一半的响度定位0.5宋。

响度与响度级之间的关系大致满足下式：

LN=40+33lgN

需要注意的是：响度级的合成不能直接相加，而响度可以相加。

例如：两个不同频率而都具有60方的声音，合成后的响度级是70方。

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