聽力學名詞釋義(1)

黃治物 李蘊 陳穎 祝瑜琦 顧憶遙 姚依凡

1 聲音與分貝

1.1聲音(物理學術語) 聲音(sound)是由物體振動產生的一種壓力波，通過介質(空氣或固體、液體)傳播并能被人或動物聽覺器官所感知。最初發(fā)出振動的物體叫聲源，他們的振動會引起介質——空氣分子有節(jié)奏的振動，使周圍的空氣產生疏密變化，形成疏密相間的縱波，這就產生了聲波，這種現(xiàn)象會一直延續(xù)到振動消失為止。

聲音傳播最關鍵的因素是介質，介質指的是所有固體、液體和氣體，這是聲音能傳播的基礎，因此聲音在真空中無法傳播。聲音在不同介質中傳播速度一般是固體>液體>氣體，聲的傳播速度與介質的種類和介質的溫度有關，聲音的傳播速度：真空0 m/s(也就是不能傳播)，空氣(15 ℃)340 m/s。

物體在一秒鐘之內振動的次數(shù)叫做頻率，單位是赫茲(Hz)。人耳可以聽到20～20 000 Hz的聲音，最敏感的是1 000～3 000 Hz聲音。

1.2分貝(decibel)(物理學術語) 所謂分貝是指兩個相同的物理量(例如：A1和A0)之比取以10為底的對數(shù)并乘以10(或20)，N=10 lg(A1/A0)，分貝符號為“dB”，它是無量綱的。式中A0是基準量(或參考量)，A是被量度量。被量度量和基準量之比取對數(shù)，這對數(shù)值稱為被量度量的“級”，亦即用對數(shù)標度時，所得到的是比值，它代表被量度量比基準量高出多少“級”。所以，聽力學中的聲學度量單位都是XX級(聽力級、感覺級和正常聽力級等)。

聲學領域中，分貝的定義是聲源功率與基準聲功率比值的對數(shù)乘10的數(shù)值，用于度量聲音的強度。因此，分貝是用來表示聲音強度的單位，記為dB。人們日常生活中遇到的聲音，若以聲壓值表示，由于變化范圍非常大，可以達六個數(shù)量級以上(10的6次方)，不便于計量，同時由于人體聽覺對聲信號強弱刺激反應不是線性的，而是成對數(shù)比例關系，所以采用分貝來表達聲學量值。

2 聲強與聲壓

聲音是一種物理量，如何來度量聲音大小或強度呢？

聲音強度由振動物體振動幅度的大小決定，以能量來計算稱聲強，以壓力計算表示時稱聲壓。聲強(I)與聲壓(P)的關系為：

I=P2/(ρv) [此時P為有效值-有效聲壓，若P為幅值，則 I=P2/(2ρv)]

其中ρ-介質密度，v-聲速

2.1聲強 聲傳播時也伴隨著能量的傳播，用單位時間內通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的能量(聲波的能量流密度)表示，聲強的單位是瓦/平方米(W/m2)。聲強的大小與聲速、聲波的頻率的平方、振幅的平方成正比。超聲波的聲強大是因為其頻率很高，炸彈爆炸的聲強大是因為振幅大。

2.2聲壓 聲壓(sound pressure)指大氣壓受到聲波擾動后產生的變化，即為大氣壓強的余壓，它相當于在大氣壓強上疊加一個聲波擾動引起的壓強變化。由于聲壓的測量比較容易實現(xiàn)，通過聲壓的測量也可以間接求得質點速度等其它物理量，所以聲學中常用這個物理量來描述聲波。

聲壓是由于聲波的存在而引起的壓力增值，單位是帕斯卡(pa)。聲波通過媒質時，由于振動所產生的壓強改變量是隨時間變化的，聲波在空氣中傳播時形成壓縮和稀疏交替變化，所以壓力增值是正負交替的；但通常實測聲壓是取均方根值，它的有效值叫有效聲壓，故實際上聲壓值總是正值。

3 聲強級、聲壓級

3.1聲強級(intensity level)的定義是待測聲強與基準聲強的比值取常用對數(shù)，即：LI=lg(I/Iref)，單位為貝爾，貝爾這一單位是以電話發(fā)明者貝爾命名的，由于貝爾單位太大，人們又定義一個新單位“分貝”。分貝(dB)的英文為decibel，意思是十分之一貝爾。因此上述聲強級計算公式一般寫為：LI=10lg(I/Iref)，單位為分貝。

其中I為待測聲強，Iref為參考聲強，在空氣中取值為10-12瓦/平方米。所謂聲強，是指通過垂直于聲音傳播方向的單位面積上的平均聲能量流，單位為瓦/平方米。實驗研究表明，人耳對聲音強弱的感覺與聲強并不是成線性關系，而是非線性(對數(shù))關系，這正是人們使用聲強級來表示聲音強度的原因。

3.2聲壓級(sound pressure level，SPL)的定義是將待測聲壓有效值P的平方與參考聲壓Pref的平方的比值取常用對數(shù)，即：Lp=lg[(P/Pref)2]，單位為貝爾。

由于貝爾單位太大，可換作分貝單位表示。因此，上述聲壓級計算公式一般寫為：Lp=10lg[(P/Pref)2]或Lp=20lg(P/Pref)，單位為分貝。

在空氣中，參考聲壓Pref一般取為20×10-6帕(即20微帕)，這個數(shù)值是正常人耳剛剛能覺察1 kHz聲音的聲壓值，也就是1 kHz聲音的可聽閾聲壓。一般來講，低于這一聲壓值，人耳就不能覺察出該聲音的存在，該可聽閾聲壓的聲壓級即為零分貝。

3.3距離增加一倍，聲強級/聲壓級變化多少呢？ 這就涉及到了反平方定律，即：當點聲源在均勻各向同性的媒介中傳播時，波陣面為球面波，因此聲源的衰減與距離的平方成反比。

①聲強級 假設M、N兩點分別距離聲源r1、r2，那么兩點的聲強為：IM=E/(4πr12)，IN=E/(4πr22)；

兩處對應的聲強級L為：LM=10lg(IM/I0),LN=10lg(IN/I0)；

兩處聲強級的差值為：△L=LM-LN=10lg(IM/I0)-10lg(IN/I0)=(10lgIM-10lgI0)-(10lgIN-10lgI0)=10lgIM- 10lgIN=10lg[E/(4πr12)]-10lg[E/(4πr22)]=10lg(r2/r1)2=20lg(r2/r1)

由上式可知，當距離增加一倍，即r2=2r1，△L=20lg2≈6 dB。

②聲壓級 聲強聲壓的關系為I=P2/(ρcv)，聲強與聲壓的平方成正比，因此，聲壓級SPL(dB)=10lg(p2/p02)=10lg(p/p0)2=20lg(p/p0)

假設M、N兩點分別距離聲源r1、r2，那么兩點的聲壓為：PM=(IMρc)1/2，PN=(INρc)1/2

兩處對應的聲壓級L為：LM=20lg(PM/P0),LN=20lg(PN/P0)

兩處聲壓級的差值為：△L=LM-LN=20lg(PM/P0)-20lg(PN/P0)=20lg(PM/PN)=10lg(IM/IN)；

又IM/IN=r22/r12=4:1，所以△L=20lg2≈6 dB；因此，距離增加一倍，聲強級/聲壓級變化6 dB。

3.4聲源增加一倍，聲強級/聲壓級變化多少呢？ 這就涉及到了聲源疊加原理，當某一點同時有兩個或多個聲源時，其總的聲強級或聲壓級不是將這些聲強級或聲壓級的數(shù)值直接相加。

①聲強級 假設兩聲源分別為：L1=10lg(I1/I0),L2=10lg(I2/I0)；

則△L=10lg(I1+I2)/I0；

若I1=I2，則△L=10lg(2I1/I0)=10lgI1/I0+10lg2≈L1+3 dB；

②聲壓級 假設兩聲源分別為：L1=20lg(P1/P0),L2=20lg(P2/P0)；

則△L=20lg(P1+P2)/P0；

若P1=P2(注：考慮到聲音的相位因素，這時該點應該是位于2個聲源的中央點，即具有同相性)，則△L=20lg(2P1/P0)=20lgP1/P0+20lg2≈L1+6 dB；

因此，聲源增加一倍，聲強級增加3 dB，聲壓級增加6 dB。

(待續(xù))