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声音的基本知识
西西里柠檬
第一节 声音的本质与分类
在自然界中，存在着各种各样的声音。惊涛拍岸，雷声滚滚，雨打芭蕉，马蹄声声等，都是我们所熟知的声音。有些声音是人耳可以听到的，有些则听不见，如海豚的叫声和次声波。人耳所能感知的频率范围为20Hz到20,000Hz。
声音是由于物体的振动而产生的。以木棒击鼓，使鼓面振动而发声。在鼓面上泼上水，用木棒击鼓，在鼓响的同时，借助水珠的上下振动，可以用眼睛直观地感受鼓面的振动。用手捂住振动中的鼓面，使振动消失，鼓声便会随之停止。由此可知，振动是发声的必要条件。物体振动产生声波，经由气体、液体或固体，作用于人的听觉器官，再传到到大脑，我们便听到了声音。贝多芬在晚年失聪的情况下，就是通过咬在嘴里，顶在钢琴上的木棍，通过固体传导，来“听”声音的。
声音的分类有多种方法。如果按频率分，可划分为次声波（频率低于20Hz），可闻声波（20Hz到20,000Hz）和超声波（频率高于20,000Hz）。不同频段的声波，有着不同的特性与用途。比方说，对大地次声波的研究，可以加强对地震的了解和监测。利用超声波的巨大能量和可以聚焦的特点，可以对人体内部的结石进行爆破。
声音按内容来分，可以分为语音，音乐和其他自然界的声音。
*语音
语音是语言的声音。由人的发音器官发出，包含一定的信息。区别于一般的声音，可懂度和清晰度是对语音重要的评判标准。作为人类交流的重要载体，其重要性不言而喻。无论是朗诵，还是歌唱，确保语音的清晰度是第一位的。否则，言之无物，又有何用?
*音乐
音乐的表达，可以借助乐器，或人声。在音乐中，根据振动是否有规律，音乐中的音又分为乐音和噪音。音乐中有规律的振动称为乐音，而无规律的振动称为噪音。前者听起来音高很明显，而后者听起来音高不很明显。应该提醒的是，这里的噪音绝非一般意义下的噪音。音乐中的噪音对音乐的完整表达也是不可或缺的。如锣，鼓，三角铁以及梆子等乐器的振动属于噪音，但也是音乐中十分重要的表达手段。在塑造人物形象、表现各种思想情感方面，其作用也是十分明显的。
*其他自然界的声音
这一类的声音就更多了。在影视作品里，为了表现不同的场景，可以录取自然界的声音，如雷声，流水声，鸟鸣，蛙噪等，然后进行适当的编辑进行配音，使作品的真实性和感染力得到极大的提升。随着声音合成技术的长足发展，利用计算机模拟自然界的声音已经相当逼真，甚至还可以产生自然界所没有的声音，来表现不同的艺术意境，这在科幻片中最为突出。
第二节 声音的物理属性
图1-1. 简谐波
一个最简单的振动——简谐振动，单一频率的正弦波，如图1-1所示。横轴是时间，纵轴是幅度。这个正弦波，可以用来表征一个理想的声音——纯音。
声音的物理属性有高低、长短、强弱。传统的讲法，还包括音色，但严格来说，由于音色是一个主观参量，是一个不能被仪器所测量的物理量，应该归属于人的心理属性，所以，关于音色将在后续章节的“声音的心理属性”中加以论述。
图1-2. 声音的频率
声音的高低是由物体在单位时间，每秒内的振动次数——频率来决定。在图1-2中，波形f2(t)的振动较快，频率高于f1(t)。频率较高的声音，在听觉上引起“尖锐”的感觉。而频率较低的声音，在听觉上引起“低沉”的感觉。频率在音乐术语中，称为音高，或音调。在音乐中，音的高低变化是最基本，同时也是最重要的艺术表达方式。
声音的长短由音的持续时间来决定。不同长短的音相互结合起来，就产生了音乐的节奏、节拍，被称为旋律的骨架。在音乐体系中，音的长短被称为音的时值。
声音的强弱是由物体振动的幅度来决定。振动幅度越大，声音越强。在图1-2中，波形f1(t)的幅度大于f2(t)的幅度。在音乐中，音的强弱会形成有规律的节奏、节拍重音，产生音乐的基本律动，不同的音乐风格有着不同的强弱规律，音乐情感的表达也同样离不开音乐强弱的变化。
那么，歌唱的音乐表现与上述物理属性有何关系呢？实际上，唱歌跑调是音的高低问题；节奏不准是音的长短把握欠佳；拍子不对则是强弱关系不对所致。
第三节 声音的相位与相位差
图1-3有相位差的两个波形
声波在时间为0时的角度定义为相位。在图1-3中，f1(t)的相位为0，而f2(t)幅的相位为45度。如果两个频率相同的声波的最大点出现在不同时刻，那么就称它们之间存在相位差。图1-3中两个声波的相位差为45度。可以想象某位歌者跟唱时总是慢半拍，我们称跟唱比原唱的相位滞后。如果对齐了，相位差为0。
应该指出，谈到相位，必定是对两个频率相同的声波的相位进行比较，才有意义。
第四节 声音的分解与合成
高中物理，我们学过简谐振动，一个单一频率的正弦波——纯音。在实验室，我们可以构建一个纯音来推动喇叭发声。通过特殊设计，音叉发出的声音，也是纯音。遗憾的是，自然界中并不存在这种纯音。所有的振动都比这种理想的振动模式复杂得多。我们平时所听到的音都是由许多单个的纯音组合而成的，这种由许多纯音组合成的音就叫做复合音。复合音是由物体振动时引起不同部位的振动而产生的，如一根琴弦，当它在振动时就同时包含了琴弦的不同部位的振动：首先是整条弦的振动，然后还有二分之一、三分之一、四分之一等琴弦不同部位的振动，这些部分振动就产生了不同音高的音，这些音又是同时发响，于是就混合在一起，形成了复合音。
再复杂的振动，根据著名的傅立叶分析（Fourier analysis），我们也能将其分解为若干个纯音的组合。傅立叶分析的表达式如下：
其中n为从0到一个足够大的正整数，式中第一项的频率最低，称为基波。其他项的频率为基频的整倍数关系。除基波以外的其他项称为谐波。假设某个音的基频为f，则频率为2f的音称为第一泛音，频率为3f的音称为第二泛音，等等。在音乐领域，我们不说基波而称基频，不说谐波而称泛音。在上面弦的振动的例子中，由全弦振动产生的音叫做基音，而琴弦的各个部分的振动产生的音就叫做泛音。
敲击钢琴上的中央C，将录得的波形用仪器进行傅立叶分析，可得知：中央C的基波频率为261.6Hz，各谐波的频率如表1-1所示。
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表1-1.钢琴中央C的谐波 |
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谐波次数 |
频率(Hz) |
唱名 |
谐波次数 |
频率(Hz) |
唱名 |
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1 |
523.3 |
c2 |
6 |
1864.7 |
#a3 |
|||
|
2 |
784.0 |
g2 |
7 |
2093.0 |
c4 |
|||
|
3 |
1046.5 |
c3 |
8 |
2349.3 |
d4 |
|||
|
4 |
1318.5 |
e3 |
9 |
2637.0 |
e4 |
|||
|
5 |
1568.0 |
g3 |
10 |
2960.0 |
#f4 |
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根据表1-1，我们在坐标系频率幅度图中，标出声音的基波和谐波的频率分布和幅度，称为频谱图。这个频谱图的概念十分重要，以后还会经常用到。为说明问题，表中的幅度为随意定出的。钢琴上中央C的频谱图如图1-4。正是这个频谱图，决定了声音的音色。
图1-4. 钢琴中央C的频谱图
由傅立叶分析的方法，对声音进行分解的过程，也可以称为声音的分析。根据对声音分析的结果，采用一系列适当幅度的纯音，去构成一个特定的声音的过程，称为声音的合成，或综合。所以本节的标题也可以是“声音的分析与综合”。
理论上，对于一个特定的声音，分析与综合这两个过程是可以互逆的。各种乐器的频谱特性，有专著进行论述。根据各种乐器的频谱分析的结果，人们用电子系统模拟构建出一个个纯音，再赋予每个纯音以适当的幅度，这样就可以通过由有限个幅度适当的纯音的叠加，以足够的精度去逼近一个真实的声音。这就是声音合成器的工作原理。电子钢琴，电声二胡的实现，都是以此为原理的。人声也能以类似的原理来合成。早期的公交车报站系统，是将一个个单字储存在存储器里，使用时按适当顺序取出播放，听起来像机器人。而现在的语音播报系统，GPS的语音提示，在采用了声音合成系统后，与真人的声音已没有太大差别。
十分遗憾的是，尽管人们在电子钢琴上投入了巨大的人力、物力，倾注了无限的热情，但尚未造出一台在音色上可与传统钢琴相媲美的电子钢琴。会唱歌的机器人，情形就更惨了。看来，人造的东西，往往具有极大的局限性。
每个人的声音，每种乐器的声音都有自己独特的频谱结构，所以通过对声音的频谱结构，或者说对音色的分析，人的听觉系统才能辨识出不同的人，不同的乐器。而这种能力，是天生的。
人的听觉系统还有一个非常奇特的能力，在一堆杂乱无章的声音中，人可以将听力集中于自己感兴趣的某个声音。比方说，母亲对婴儿的声音最为敏感。这种能力，为现代仪器所不能。
第五节 声音的心理属性
首先音乐的载体是声音，而对音乐的感受是人类的一种高级神经活动，所以声音中除了那些可以由现代仪器直接测量，直接“感受”的物理量以外，声音中还存在只有人类才能感知，而仪器所不能感受的参量，这些就称之为声音的心理属性。例如，仪器无法判别音色的优劣。确切地了解这些心理属性，对于音乐的制作，会有直接的帮助。
*音调。表示人的听觉分辨一个声音的调子高低的程度。音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。诚然，一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降。但对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，而高频纯音的音调却随强度增加而上升。
*音色。音色（tone-color）是指乐器或嗓音的音质，又称音品。声音的音色取决于发音物体的性质、形状及泛音的构成。泛音的多寡以及强弱构成了不同的音色。是音乐中极为吸引人、能直接触动听觉感官的重要表现手段。不同的发声体由于材料、结构不同，发出声音的音色也就不同，这样我们就可以通过音色的不同去分辨不同的发声体。根据不同的音色，即使在同一音高和同一声音强度的情况下，也能区分出是不同乐器或不同的人发出的。如果声音的泛音适中，谐波较丰富，听起来音色就优美动听。所以，音色是对声音是否好听，是否感人的一个主观评价。
以人声来说，女高音嘹亮柔美，男高音挺拔高亢，女中音浑厚而温暖，男中、男低音则是庄重厚实，给人一种坚定的感觉。乐器的音色种类就更丰富了，小提琴的纤柔灵巧，大提琴的深沉醇厚，双簧管的优雅甘美，小号的英雄气概等等。作曲家对于音色的运用非常讲究，这些各种各样的声音特质对他们来说，就象画家手中的色彩一样，会令他们的旋律、和声、节奏、力度产生鲜明的效果。
我们可能会注意到，有时侯唱歌，即使音高、节奏和拍子上都没问题，但还是唱得不动听，这往往是音色不美所致。其实，声乐大师们玩的除了对声音的超强控制和情感的良好把控外，展现给我们的就是美好独特的音色。
*响度。是指声音的强弱，是一个由人耳和听觉神经决定的主官感知量。通常以“方（Phons）”为单位来表示响度的大小。响度的大小主要依赖于声强，但也与声音的频率有关。在人感知到一定的响度条件下，频率与声压的关系，就称为等响度曲线，如图1-5所示。
图1-5.人耳的等响度曲线
在图1-5中，横轴是频率，纵轴是声压，每条曲线代表相同的响度。观察响度为10方的曲线，当频率为2000Hz时，所需声压级为8dB；当频率为100Hz时，为达到同样响度，所需要的声压级高达30dB。这意味着，当响度为10方时，人耳对低频反应比较迟钝，而对高频较为敏感。由等响度曲线还可以看出，响度的分贝数越高，人耳对低频和高频的反应越趋于平坦。
人耳听觉的另一个特定是：对微小的声音，只要声音强度稍有增加人耳即可感觉到强度的变化，但是当声音强度增大到某一值后，即使再有较大的增加，人耳对声音强度的感觉却无明显变化。这个特性有效地保护了人耳在高强度时不会轻易失聪。人类的眼睛，对于光的照度，也有类似的特性。世界真奇妙！我们把人耳对声音响度的这种听觉特性称为对数式特性。由于强度与响度为对数关系，所以响度也用对数来表示。
*拍。两个同方向的简谐振动在合成时，由于周期（频率）的微小差别而造成的合成振幅时而加强、时而减弱的现象称为“拍”。例如，两个频率相差很小的音叉同时振动时，所听到的时强时弱的声音就是拍音。复音口琴有上下两排吹孔，一对上下吹孔中的簧片基本相同，但如果精心调节，使二者存在细微差别，吹或吸同时得到两个音符。由于一对琴孔中两个簧片物理上的细微差别，在同时发声时，就会产生物理上称做拍(tremolo) 的现象，可使音色丰满圆润，和谐动听，令人愉悦。同样，声带这个天然的频率合成器在制造时，就决定了不可能完全精确重复相同的频率，会有些许差异。所以，齐唱也能产生奇妙的拍的效果，这就是合唱团的魅力之一。
第六节 声音的传播
在平静的湖面上，扔下石块，可以看到水波在一圈一圈地向外传播。如果离岸边较近的话，水波在遇到岸以后，又一层一层地向回返。声波在传播过程中，也有类似现象。为了讨论方便，先定义几个与声音的传播有关的术语。
*直达声。一个声源产生的声波，在空间各点的声能是来自各方向的声波叠加的结果。其中未经反射、直接传播到某点的声波，称为直达声。
*反射声。声波遇到障碍物而产生一系列的反射，传到人耳的声波称为反射声，俗称回音。
*干声。录音术语，等同于上面直达声的定义。尽管我们在录音棚或家里录音时会有不同程度的反射声。但由于反射声的成分较少，可以忽略，所以，我们将录音直接得到的音频称为干声。
*湿声。录音术语，等同于上面反射声的定义。
*混响声。声波在传播过程中，经由多次反射声的叠加而产生的声音称为混响声。
*声波的延迟。由于声波传播的有限速度，反射波相对于直达声会有一个时间差，这个时间差就称为延迟。所以，延迟是由于声波的反射波或回音的滞后而产生的。当然，当前的回音相对于上一次回音在时间上的滞后，也构成延迟。
*声波的传播衰减。由于声波在传播中会消耗能量，遇到障碍物时会被吸收和无规则的漫反射，反射声与上一次的声源相比，在幅度上一定是衰减的。
一个精心设计的交响乐厅，必须满足这样的条件：舞台上乐器的演奏发出的声音，在传播过程中，会产生不同程度的延 时，这些经延时的多个回音，应该较单纯的直达声更为丰满，圆润。使观众在听觉上产生良好的心理感受。
有鉴于此，我们在录完干声后，可以通过录音软件在干声的基础上，模拟交响乐厅、会议厅或小房间等硬件结构的声学特性，人为地产生一系列的湿声，使处理后的声音，具有与现实世界中的回声相一致的音响效果。使处理后的结果听上去更为丰满，圆润。这就是后期处理中混响处理的原理和要求。
我的后期制作笔记的后续章节，会在这个月的每周2和周5在城里发表，共计9个章节，敬请关注。
后期制作笔记之一 硬件篇 Link:
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后期制作笔记之二 软件篇 Link:
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后期制作笔记之三 过荷失真篇
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