我们的一生都围绕着它们。它们以每小时 700 多英里的速度不断冲击我们，有时会造成伤害，有时会令人舒缓。它们有能力传达思想、唤起美好的回忆、引发争吵、娱乐观众、吓得我们魂不附体，或者帮助我们坠入爱河。它们可以引发一系列情绪，甚至会造成物理损伤。这读起来就像科幻小说中的情节，但我们所谈论的是非常真实且已是我们日常生活的一部分。它们就是声波。那么，什么是声波以及它们如何工作呢？
如果您不在音频行业，您可能不会过多地考虑声音的机械原理。当然，大多数人关心声音让他们感觉如何，但并不像关心声音实际上如何影响他们那样。然而，理解声音如何工作确实有许多实际应用，而且您不必成为物理学家或工程师就可以探索这个迷人的主题。这里有一篇关于声音科学的入门指南，可以帮助您开始。
波浪的构成
当能量穿过水或空气等物质时，它会产生波。有两种类型的波：纵波和横波。正如 NASA 指出的那样，横波可能是大多数人在想象波浪时会想到的——就像用于锻炼的搏斗绳那样上下起伏的涟漪。纵波也称为压缩波，声波就是这种波。它们没有垂直运动，而是波与扰动方向相同地移动。
声波如何工作
声波是一种能量，当物体振动时释放出来。这些声波从源头通过空气或其他介质传播，当它们接触到我们的鼓膜时，我们的大脑会将压力波转化为我们可以理解的词语、音乐或信号。这些脉冲可以帮助我们判断周围物体的位置。
我们也可以以更物理而非生理的方式体验声波。如果声波到达麦克风——无论是即插即用的 USB 直播麦克风还是录制人声的录音棚级麦克风——它会将其转化为电子脉冲，然后通过振动的扬声器重新转化为声音。无论是在家听还是在音乐会上，我们都能感觉到胸腔里低沉的贝斯。歌剧演唱家可以用它们来震碎玻璃。甚至可以看到通过沙子等介质传播的声波，它会留下一种声音的足迹。
这种形状是起伏的波峰和波谷，是正弦（也称为正弦曲线）波的标志。如果波传播得更快，这些波峰和波谷就会靠得更近。如果它移动得慢，它们就会散开。将它们想象成海洋中的波浪并非不恰当的比喻。正是这种运动使得声波能够做许多其他事情。
这都关乎频率
当我们谈论声波的速度时，我们指的是这些纵波从波峰到波谷再回到波峰的移动速度。上升……然后下降……然后上升……然后下降。技术术语是频率，但许多人称之为音高。我们用赫兹 (Hz) 来测量声音频率，它表示每秒的周期数，更高的频率会产生更高的音调。例如，钢琴上高于中央 C 的 A 音符测量值为 440 Hz——它每秒以 440 个周期上下移动。中央 C 本身是 261.63 Hz——音调较低，振动频率较慢。
理解频率在许多方面都很有用。您可以通过分析乐器弦的频率来精确调音。录音工程师利用他们对频率范围的理解来调整均衡设置，帮助塑造他们正在混音的音乐声音。汽车设计师通过研究频率（以及可以阻挡它们的材料）来帮助降低发动机的噪音。而主动降噪则利用人工智能和算法来测量外部频率并产生反向波来抵消环境的隆隆声和嗡嗡声，从而使顶级 ANC 耳机和耳塞能够将佩戴者与周围的噪音隔离开来。人类听觉的平均频率范围是 20 到 20,000 Hz。
名称的由来？
赫兹这个单位是以德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹的名字命名的，他证明了电磁波的存在。
放大
振幅等同于声音的响度或强度。如果我们用海洋的比喻——因为它确实适用——振幅描述了波浪的高度。
我们以分贝 (dB) 为单位测量振幅。dB 刻度是对数的，这意味着测量单位之间存在固定的比例。那么这意味着什么呢？假设您的吉他放大器上有一个刻度盘，上面有均匀间隔的数字 1 到 5。如果旋钮遵循对数刻度，当您将旋钮从一个标记转到下一个标记时，音量不会均匀增加。如果比例是 4，假设，那么将旋钮从第一个标记转到第二个标记会使声音增加 4 dB。但从第二个标记转到第三个标记会增加 16 dB。再次转动旋钮，您的放大器会响亮 64 dB。再转动一次，您将发出令人震惊的 1,024 dB——这比您会遇到的任何摇滚音乐会的音量都大得多，并且肯定会让您被赶出排练室。所有这些原因解释了为什么真实的放大器不是这样设计的。
加倍的美妙
我们将 10 dB 的振幅增加解释为音量的加倍。
声波的组成部分
音色和包络是声波的两个特性，它们有助于确定为什么例如两种乐器可以演奏相同的和弦但听起来完全不同。
音色由和弦中音符组合形成的独特泛音决定。A 和弦中的 A 只是其基频——您还有泛音和下泛音。这些声音组合在一起的方式有助于钢琴听起来不像吉他，或者愤怒的灰熊听起来不像隆隆作响的拖拉机引擎。
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但我们也依赖包络，它决定了声音的振幅随时间的变化。大提琴的音符可能会缓慢地增大到最大音量，然后保持一段时间，然后再次轻轻地衰减。另一方面，一声巨响的门会发出快速、尖锐、响亮的声音，几乎立即消失。包络由四个部分组成：起音 (Attack)、衰减 (Decay)、延音 (Sustain) 和释放 (Release)。事实上，它们更正式的名称是 ADSR 包络。
- 起音 (Attack): 这是声音达到最大音量所需的速度。狗叫声的起音很短；管弦乐队的渐强起音则较慢。
- 衰减 (Decay): 这描述了声音达到其持续音量所需的速度。当吉他手弹奏一根弦时，音符一开始响亮，但很快就会衰减到较小的音量，然后完全消失。达到那个持续音量所需的时间就是衰减。
- 延音 (Sustain): 延音不是时间测量值；它是振幅或音量的测量值。这是弹奏的吉他音符在初始起音之后但在消失之前有多响。
- 释放 (Release): 这是音符消散到寂静所需的时间。
声速
科幻电影喜欢太空飞船爆炸时发出巨大、隆隆的环绕声轰鸣。然而，声音需要通过介质传播，所以尽管好莱坞这么说，您永远不会在太空真空中听到爆炸声。
声音的速度，或其传播速度，取决于它所经过介质的密度（甚至温度），因此会有所不同——例如，在空气中比在水中快。通常，声音以每秒 1,127 英尺或每小时 767.54 英里的速度传播。当喷气式飞机突破音障时，它们的速度就比这个快。知道这些数字可以帮助您通过计算闪电和雷鸣的轰鸣声之间的时间来估算闪电的距离——如果您数到 10，它大约在 11,270 英尺（约合 2 英里）外。（当然，非常粗略地估计。）
一种刺激的体验
任何人都能够从理解声音的基本原理和声波的本质中受益。拥有家庭录音设备和录音棚监听器的音乐家和内容创作者显然需要掌握频率和振幅的工作知识。如果您主持播客，您会希望拥有尽可能多的工具来确保您的声音清晰而饱满，这包括了解您声音的频率、最适合它们的麦克风，以及如何设置房间来反射或吸收您想要或不想要的声音。掌握一些基础知识在进行家居装修项目时也很有用——例如，处理录音工作站时，或者只是为新建的封闭式阳台进行隔音。而且谁知道呢，也许有一天您会想震碎玻璃。更深入地了解声音的物理学，可以开启探索和体验我们周围世界的美妙新方式。现在，走出去，制造一些噪音吧！
本文已更新。最初发布于 2021 年 7 月 27 日。
