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音视频学习（四十五）：声音的产生

news 2025/8/3 6:10:31

从物理学角度看，声音本质上是机械波：某一声源发生微小振动，推动邻近介质（空气、液体或固体）产生疏密相间的压力扰动，并以波的形式向外传播。人耳或传感器捕获到这种压力随时间的周期性变化后，才形成我们主观感受到的“声”。下面从声源类别、能量转换、传播特性与人耳感知四个维度系统梳理声音的产生原理。

经典振动声源：固体的弹性振动

最常见的声源是胡克定律所描述的弹性系统——如乐器弦、鼓膜、音叉、扬声器振膜等。当外力使其偏离平衡位置后，回复力 F = –kx 将其拉回；因惯性又越过平衡，遂形成简谐振动。

固有频率由 f=1/2π √k/m 决定，k 为等效弹性系数，m 为质量。
振幅决定声压级（响度），随能量损耗逐渐衰减；若外部驱动频率与固有频率相同，即发生共振，有效放大声压。
不同分布的线密度、边界条件与形状，决定弦乐、管乐、膜片等乐器丰富的谐波谱，进而塑造音色。

流体动力声源：气流剪切与涡街

在许多乐器（如笛、管风琴）与自然现象（风啸、喷气引擎）中，高速气流经过障碍物或狭缝会形成剪切层和周期性脱落的涡街（冯·卡门涡街）。

剪切层中压力不稳定，引发密度波；当脱涡频率落入可听区 (20 Hz–20 kHz) 且得到管道腔体反馈时，系统自激振荡产生清晰音高。
源–谐振腔耦合是关键：笛孔喷流撞击边沿，扰动传回喷口相位差接近 π，持续抽取气动能，输出稳定响亮的音符。

碰撞与摩擦声源：瞬态力学激励

物体碰撞（敲钟、击鼓、键盘敲击）产生近似冲激力，激发结构的自由振动，形成衰减包络的瞬态声。
而摩擦（拉小提琴弓、手指划玻璃）在微观尺度造成粘滑循环：静摩擦阶段积累弹性形变，转瞬滑移释放能量，频繁重复后变成宽带噪声或具音高的周期声（如弓弦振动）。

电声换能与逆向声源

在现代音频系统中，声音常源于电-机械能量转换：

动圈/平板扬声器：交变电流通过线圈 → 受磁场力驱动振膜 → 空气振动。
压电蜂鸣器：电场作用下晶体晶格形变 → 机械振动 → 声波。
电磁阀、继电器的激磁释放亦可形成机械冲击声。
此类声源的频率和幅度由电信号严格控制，故能高保真还原数字音频。

数字合成与物理建模

若声源并非真实物体，而是数字信号经 DAC 推动扬声器发声，则“产生声音”的本质前移到离散时间域的波形设计。波表合成、FM 合成或基于 Navier-Stokes / 弦振方程的物理建模合成，用算法重现声源-介质-听者各环节，再经电声换能输出。虽然能量终归转化为空气中的机械波，但其频谱、包络与空间特性由软件决定，创造了无限音色可能。

传播介质与波动方程

声源只是链条第一环，介质决定波的传播速度 c 与衰减：

空气常温下 c≈343 m/s；水中 c≈1480 m/s；钢中可达 5000 m/s。
声压 p(x,t) 满足 线性声学波动方程
当波长与障碍物尺寸可比时出现衍射、干涉、驻波；在封闭空间形成房间模态，会影响音质与混响。
介质吸收系数随频率升高而增大，高频更易衰减；这也是远处声音显得低沉、雾天高频减弱的原因。

人体声源：生物发声机制

人类发声由肺部气流 + 声带振动 + 声道滤波三段完成：

横膈膜挤压肺部产生恒定气流；
气流冲开声带，弹性组织周期闭合，形成基音频率 f₀ ≈ 80–300 Hz；
咽腔、口腔、鼻腔组成可变长管道，调节共振峰（共振峰 F1, F2…），遂形成各元音与言语音色。
情绪、肌肉张力与病理状态都会改变振动模式，引起音高、音色和响度变化。

感知与主观“声”

声波到达人耳，外耳集音、鼓膜-耳骨‐卵圆窗传递，再经内耳淋巴液激发基底膜旅行波，按地点-频率映射（耳蜗分区谐振）弯曲毛细胞，转化为神经冲动。大脑皮层对基频、谐波、瞬态与空间线索进行综合解码，才塑造出我们对音调（Pitch）、响度（Loudness）、**音色（Timbre）与方位（Localization）**的完整听觉体验。