数字音频原理及应用

1.1声波、声音与声学的概念声，有双重的含义：一是指弹性介质中传播的压力、应力、质点位移和质点速度等的变化；二是指上述变化作用于人耳所引起的感觉。为了清楚起见，前者可称为声波，后者则称为声音。语音、音乐以及自然界的各种声音，都是由物体振动产生的。例如，我们讲话时，如果将手放在喉部，就会感到喉部在振动；用弓拉琴，琴弦发生振动而发声；把音频电流送入扬声器，扬声器的纸盆发生振动而发声。无论是人的发声器官（声带），还是乐器的弦、击打面、薄膜等，当它们振动时，都会激励着周围的空气质点振动，由于空气具有惯性和弹性，在空气质点的相互作用下，振动物体四周的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播形成声波。一般说来，凡是有弹性的物质，如液体和固体等，都能传播声波。在振动介质（空气、液体或固体）中某一质点沿中间轴来回发生振动，并带动周围的质点也发生振动，逐渐向各方向扩展，这就是声波。声波的传播不是介质分子的直接位移，而是能量以波动形式的扩展。声波的能量随扩展的距离逐渐消耗，最后消失。连续振动的音叉，使周围的空气分子形成疏密相间的连续波形，如图1-1所示。在空气中传播的声波是纵波，在纵波中，介质分子的振动方向和波前进的方向平行。声波传播时，介质中每个质点都是在自己的平衡位置做往返的简谐运动，所谓简谐运动就是质点的位移幅度与时间变化的关系呈正弦函数关系，如图1-2所示。

产生声波的振动体称为声源（如人的声带、乐器等），声波传播的空间称为声场，声场中能够传递上述扰动的介质称为声场介质。要听到声音，必须具备三个基本条件：首先是存在声源；其次是要有传播过程中的弹性介质，即传声介质，如空气、水等；最后，要通过人耳听觉系统产生声音的主观感觉。那么声波传播到人耳后，人耳是怎样听到声音的呢？有关听觉产生的机理包括物理学、生理学、心理学等几个学科的交叉。我们知道，人耳是由外耳、中耳、内耳组成的。外耳和中耳之间有一层薄膜，叫作耳膜（鼓膜）。平常我们看到的耳朵就是外耳，它起着收集声波的作用。首先外面有声音进入到耳朵里来，通过外耳道传到鼓膜，使鼓膜产生相应的振动，带动耳膜后的耳骨运动，这是一个物理过程。耳骨的运动在耳蜗中产生一个响应，耳蜗周围有一些毛细胞，会刺激里面的皮层，然后产生电响应，到了这样的层次，就变成了一个生理过程，也就是说声波传播到了耳蜗，就属于生理声学研究的范畴了。声信号变成了电信号，经耳蜗神经传入人的大脑，就会产生听觉响应，这就属于心理声学研究的范畴了。所以听觉产生的机理是从物理声学到生理声学，然后再到心理声学的过程。声学是研究声波的产生、传播、接收和效应等问题的科学。从20世纪以来，随着电子学的出现和放大器的应用，应用声学得到迅速发展。如今对任何频率、波形和强度的声波都可以产生、接收、测量和利用。近代声学根据研究的方法、对象和频率范围可以分成许多分支，如理论声学、电声学、建筑声学、心理声学、语言声学、水声学、超声学、分子声学、噪声学和音乐声学等。20世纪以来，声学在工程技术和国防建设上已得到了广泛应用。1.2声音的参数与度量1.2.1频率、频谱、频程及相位1.频率频率是电学和声学中的一个基本量。很多声学量都与频率有关，传声器灵敏度的校正、电声换能器频率特性的测量、厅堂音质的鉴定以及信号的分析等都离不开频率。频率是某一质点以中间轴为中心，ls内来回振动的次数，一般用f表示，单位为赫兹（Hz)。而质点完成一次全振动经过的时间为一个周期T，单位为秒(s)。显然，f=1/T。在声学和电学领域里，频率一般是指正弦波信号的频率。任何信号都可以认为是各种频率的正弦波的叠加，或者说任何信号都含有正弦波的各种频率成分。人们通过对各种频率成分含量的分析，可以了解该信号的许多特性。例如，人的声音信号可以分解为各种频率正弦信号的叠加，通过频谱分析我们可以知道，男声的高频成分要比女声的高频成分少且幅度小，男声的低频成分要比女声的低频成分多且幅度大，故男声较低沉浑厚，女声较尖细。由此可见，对信号频率的分析是非常重要的。