声音的物理特性-多媒体技术与虚拟现实

自然界的声音是一个随时间而变化的连续信号，可近似地将之看成是一种周期性的函数。在物理学中声音称为声波，通常用模拟的连续波形来描述声波的形状，单一频率的声波可用一条正弦波表示。描述声音的重要指标是振幅、周期和频率。

1.频率

描述声波的最基本参数是频率，定义为声波在单位时间内完成周期性变化的次数，单位为Hz(赫兹)。声波的频率反映出声音的音调，声音尖细表示频率高，声音粗低则频率低。

不同的声音有不同的频率范围，人的耳朵能够听到的声音频率范围为20～2×104Hz，一般称这种声音为可听声波；频率低于20Hz的声音称为次声波；频率高于2×104Hz的声音称为超声波。次声波的频率较低，波长很长，穿透力强，传播距离很远，会干扰人的神经系统，危害人体健康。因此在军事上次声波可以用于制造武器，而不会造成环境污染。超声波的频率较高，方向性很好，穿透能力也强，已经广泛用于探伤、测厚、测距、遥控和成像等。

声音从频率角度分为两类:纯音和复合音(复音)。纯音是单一频率成分的声音，如音叉发出的声音；复音是由两种以上频率成分构成的声音，自然界中的声音如语音、音乐或噪声大多是复音。

声音的频率范围称为频带，对于声源而言，频带越宽，表现力越好，层次越丰富。在多媒体应用中，按照对声音质量的要求不同以及使用频带的宽窄，通常将音频信号分为四类:

(1)电话语音:信号频带为200～3400Hz，用于各类电话通信。

(2)调幅广播(AM):信号频带为50～7000Hz，它提供了比电话语音更好的音质和声音特征，常用于电话会议、视频会议等。

(3)调频广播(FM):信号频带为20～15000Hz。

(4)高保真立体声:信号频带为20～20000Hz，用于VCD(视频高密度光盘)、DVD(数字通用光盘)、CD(数字激光唱盘)、HDTV(高清晰度电视)伴音等。(www.xing528.com)

2.周期

与频率相关的另一个参数是音频信号的周期。如果信号每隔一定时间就循环重复出现，那么就称这个时间为周期，即信号完成一次振动的时间。周期和频率之间的关系是互为倒数。

具有周期性的声音听起来悦耳。如乐器的演奏、语音、歌声、鸟鸣等，都是周期性的声音。一般天然声音不会有很强的周期性，如打击乐器声、雷电声以及流水声等，都是非周期性的。

3.振幅

声波的振幅定义为振动过程中振动的物质偏离平衡位置的最大绝对值。振幅体现声波能量的大小，也反映出声音的大小。

4.声压和声压级

声压是由于声波的振动而在大气中产生的附加压强。声压的大小反映了声音震动的强弱，同时也决定了声波的振幅大小。声压越大，空气的压缩量越大，对人的耳膜产生的压力越大，人们听到的声音就越响亮。

人耳对声音强弱的感知并不正比于声压的绝对值，而是与声压绝对值的对数成正比。通常，用声压的相对大小(声压级)对声音的大小进行度量，单位为dB(分贝)，人能感知的声音大小的范围一般为0～120dB。