【秒懂音視訊開發】06_重識聲音

關於聲音的知識，記得沒錯的話，是屬於初中物理的內容。為了學好音視訊，我們有必要重新溫習一下聲音的相關知識。需要提醒的是：本文的GIF動態圖比較多，建議選擇在網路較好的環境中閱讀。

產生

聲音（Sound），是由物體的振動產生的。一切正在發聲的物體都在振動。

• 我們說話的時候，是聲帶在振動。一邊說話一邊用手捂住喉嚨，就能感受到聲帶的振動

• 蜜蜂飛過時發出嗡嗡嗡的聲音，是翅膀在快速振動

聲波

本質

關於聲音的本質，推薦一份不錯的參考資料：可汗學院的《Introduction to sound》。

以揚聲器為例子，揚聲器發聲時是振膜在振動。下圖是放了塊小紙片到振膜上，振膜的振動導致小紙片“跳起了街舞”。

振膜的振動會導致振膜旁邊的空氣振動，然後導致更大範圍的空氣跟著一起振動，最後耳朵旁邊的空氣也開始振動。

空氣的振動帶來了動能（Kinetic Energy），能量傳入了耳朵中，最後就聽到了聲音。

所以，揚聲器可以通過空氣來傳播能量，而不是傳播空氣本身。

如果傳播的是空氣，那麼表現出來的形式就不是聲音，而是風（Wind）。

聲音與波有著相同的關鍵特徵：可以通過介質傳播能量，而不是傳播介質本身。

• 因此，我們也把聲音稱為聲波

• 聲音的傳播介質可以是氣體、液體、固體，比如：2個人面對面交流時，聲音是通過空氣傳播到對方耳中

疑惑

學到這裡，就可以解開一個很多人長期以來的疑惑了：為什麼自己錄下來的聲音和平時說話的聲音，聽起來會不太一樣？

• 當自己說話的時候，實際上自己聽到了2個聲音，分別來自2種不同的傳播介質
  • 圖①：聲波 → 空氣 → 耳朵
  • 圖②：聲波 → 血肉、骨骼等介質 → 耳朵
• 錄製聲音時
  • 圖③：聲波 → 空氣 → 錄音裝置
• 當聽自己錄下來的聲音時，自己只聽到了1個聲音
  • 圖④：聲波 → 空氣 → 耳朵
• 所以，平時別人耳中聽到的你說話的聲音，就是你錄音中的聲音

人耳

另外，人耳又是如何聽到聲音的呢？大概過程是：聲源 → 耳廓（收集聲波） → 外耳道（傳遞聲波） → 鼓膜（將聲波轉換成振動） → 聽小骨（放大振動） → 耳蝸（將振動轉換成電訊號） → 聽覺神經（傳遞電訊號） → 大腦（形成聽覺）

振幅

如果只關注單個空氣分子，可以發現：它來回振動的軌跡，就是一個正弦或餘弦函式的曲線圖。

橫軸：代表時間。

縱軸：代表空氣分子來回振動時產生的位移。

藍色的中心線：代表該空氣分子的未受振動干擾時的位置（平衡位置，Equilibrium Position）。

從平衡位置到最大位移位置之間的距離，叫做振幅（Amplitude）。

週期

空氣分子完全來回振動一次所花費的時間，叫做週期（Period），單位是秒（s）。

頻率

物體每秒來回振動的次數，叫做頻率（Frequency），也就是週期分之一。

• 單位是秒分之一（1/s），也稱為赫茲（Hz）
• 比如440Hz代表物體每秒來回振動440次
• 因此，頻率用來表示物體振動的快慢

理論上，人類的發聲頻率是85Hz_{1100Hz，人類只能聽見20Hz}20000Hz之間的聲音。

• 低於20Hz的稱為：次聲波（Infrasound）
• 高於20000Hz的稱為：超聲波（Ultrasound）

音調

頻率越高，音調就越高。

頻率越低，音調就越低。

通常女生講話時，聲帶振動的頻率就比較高，因此我們聽到的音調就高，有時會有點刺耳，而男生講話時，聲帶振動的頻率就比較低，因此我們聽到的音調就低，顯得比較低沉。

響度

當提高聲音的響度（音量，大小）時，振動的幅度會變大。

我們常用dB（分貝）來描述聲音的響度。

0分貝	剛能聽到的聲音
15 分貝以下	感覺安靜
30 分貝	耳語的音量大小
40 分貝	冰箱的嗡嗡聲
60分貝	正常交談的聲音
70分貝	相當於走在鬧市區
85分貝	汽車穿梭的馬路上
95分貝	摩托車啟動聲音
100分貝	裝修電鑽的聲音
110分貝	卡拉OK、大聲播放MP3的聲音
120分貝	飛機起飛時的聲音
150分貝	燃放煙花爆竹的聲音

音色

概念

音色（Timbre）是指聲音的特色。

• 不同的聲源由於其材料、結構不同，則發出聲音的音色也不同
• 我們之所以能夠根據聲音區分出不同的樂器、不同的人，都是因為它們的音色不同
• 不同音色的聲音，即使在同一響度和同一音調的情況下，也能讓人區分開來

微信的聲音登入功能，就是基於不同人不同聲色的原理，為每一個人私人定製一把聲音鎖。

原理

通常聲源的振動產生的並不是單一頻率的聲波，而是由基音和不同頻率的泛音組成的複合聲音。

• 當聲源的主體振動時會發出一個基音
• 同時其餘各部分也有複合的聲源，這些聲源組合產生泛音

音調是由基音決定的，而音色主要取決於聲音訊譜結構中的泛音多少。

噪音

物理學角度

從物理學角度上講，噪音（噪聲，Noise），是指聲源作無規則振動時發出的聲音（頻率、強弱變化無規律）。

環境保護角度

從環境保護角度上講，凡是妨礙人們正常休息、學習、工作的聲音，以及對人們要聽的聲音產生干擾的聲音，都可以稱之為噪音。

影響

長期的噪音可以影響人的身心健康。

• 噪音可能導致各種不同程度的聽力喪失

  • 長時間處於85分貝以上的噪音可以影響人的聽力
  • 響於120分貝的噪音可以使人耳聾

• 噪音還會提高人體內皮質醇的分泌，進而導致高血壓、心臟病和胃潰瘍

• 噪音影響心血管的健康、睡眠的品質、甚至胎兒的發育

• 噪音所引起的聽力損傷、心血管傷害，也會造成生殖能力、睡眠、心理的影響

討厭的聲音

大多數人都無法忍受指甲劃過黑板的聲音，甚至一想到都會覺得煩躁。

研究

研究表明：

• 這種讓人討厭的噪音和嬰兒啼哭及人類尖叫的聲音有著相同的頻率
• 人耳對2000Hz~4000Hz範圍內的聲音是難以接受的
• 而指甲刮黑板聲音的特殊之處，就在於它的頻率，正好處於2000Hz~4000Hz頻段內

大腦中的杏仁核在聽到指甲刮黑板的聲音時，會異常興奮，於是霸道地接管了大腦聽覺的任務，向聽覺皮層發出痛苦的資訊。

五大人類討厭的聲音

第一：刀子刮玻璃瓶聲。

第二：叉子刮玻璃聲。

第三：粉筆刮黑板聲。

第四：尺子刮玻璃瓶聲。

第五：指甲刮黑板聲。