音樂聲學(xué)聲音

音量（laudness)華天礽1，聲音的強度和響度：聲音的強度如同音高是用頻率來定量觀察的，聲音的強度也可用一定的量來觀察。在聲學(xué)上，用來度量聲音強度的單位叫聲音的強度，簡稱聲強(soundintensity)。聲強是指單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向上單位面積的聲音的能量。I=P/AI=聲強P=聲音的功率（瓦）A=面積（平方米）聲音的強度是以每平方米面積有多少瓦的聲音能量為計算依據(jù)的。這是一種客觀的物理量。

即：I=W/m2聲強概念的圖示聲強與距離的關(guān)系聲音的總功率是不變的。聲音以近似點狀向四周以球形傳播擴散。由于球形表面積隨著距離的增加以平方的比例增加。聲音的強度以平方的比例減小。即聲波球形擴展的反平方定律。聲強隨距離變化的圖示

聲源的強度I與離開聲源的距離R的關(guān)系聲音功率和強度

soundpowerandintensity如果一個聲源為1瓦，距離1米，那么我們可以算出：I=P/4R2=1/4π=0.08W/m2

因為聲音強度I取決于1/R2,距離為原來的2倍，聲強就為原來的1/4。距離10米，其聲強則為1米處的1/100。這種情況是指室外無聲音反射的環(huán)境下。室內(nèi)樂器演奏的情況不同。沒有一種樂器是真正意義上的“各同向性聲源”，室內(nèi)還存在反射。π聲音的響度(loudness)聲音的響度依賴于聽者主觀上的聽覺。一般說來強度較大的聲音聽上去較響，但人耳對不同頻率的聲音，其響度感覺是不一樣的。即同樣強度的聲音，如果其頻率不同，我們聽上去的響度并不一樣。頻率固定的聲音，如果我們增加它的強度，對于聽者來說似乎聲音更響一些。但響度隨強度的增加而增加，并不具有簡單的線性關(guān)系，它更接近于對數(shù)關(guān)系。就是聲音要在強度大10倍時，聽上去似乎增加1倍響度；強度大100倍時，聽上去似乎增加2倍響度。響的程度不是可用儀器直接測量的，因為它純粹是主觀的東西。2，樂器的聲音功率瓦，作為電功率單位，我們是天天接觸到的。一只燈泡100瓦，打開開關(guān)，電燈亮了，即把電能轉(zhuǎn)換為光和熱，每秒100焦耳。一只電動廚房粉碎機500瓦，它能粉碎食品，同時也會發(fā)出聲音，這說明有些能量轉(zhuǎn)換為聲能。當然它轉(zhuǎn)換為聲音的能量是很小的。但從聲音的角度來說，已經(jīng)是個不小的能量。在仔細研究樂器作為聲音能量的源泉時，我們也可發(fā)現(xiàn)類似的情形：演奏者所使用的能量中，只有很小一部分轉(zhuǎn)換為聲能。樂器的聲音功率（每秒鐘所發(fā)出的聲能），大多數(shù)只是1瓦的幾分之一，幾十分之一，甚至當樂器以最大音量演奏時也是如此。2，樂器的聲音功率

(soundpowerofmusicalinstruments)

聲音功率的單位是：瓦(watt)

3，聲強與樂音的音量樂音的音量通常是強弱標記來表示的，從ppp（極弱）到fff（極強）。大多數(shù)聽覺正常的人發(fā)現(xiàn)一個1000Hz音，強度為0.01W/m2時，音量極大。所以我們可以把這樣一個音，在樂音的音量幅度中，定為fff。當強度為原來的1/10時，定為ff，再減為原來的1/10時則定為f。這樣，我們就可以有聲強與樂音音量的對應(yīng)關(guān)系（前提為單獨的，隔離的1000Hz音）。聲強與樂音音量的對應(yīng)關(guān)系負次方10

??===0.0014，分貝(thedecibel)從剛才的表上顯示，如果一個音的聲強I?比另一個音I?大一個等級，它們的聲強之比I?/I?=10。我們把10表示為101，引入對數(shù)log??，那么log??(I?/I?)=1。如果這2個音的聲強比log??(I?/I?)=1，我們可以說它們的聲強比是1bel（這個單位是以電話的發(fā)明者AlexanderBell的名字命名的）。為了更精確，這個單位再劃分為10份，稱為分貝(decibel),簡寫為dB，那么：

聲強比（分貝）=10log??(I?/I?)

與樂音音量的劃分相對應(yīng)的聲強比，每一音量變動（ff-f），約為10分貝。聲強與樂音音量的關(guān)系

（樂器數(shù)量與樂音音量的關(guān)系）如果有1件樂器演奏，現(xiàn)在有第2件同樣的樂器以同樣的音量加入齊奏。排除其他因素，我們可認為聲強×2。由于：聲強比（分貝）=10log??(I?/I?)

所以：

10log??(2)=10×0.3=3dB

這在音量的增加上是相當小的，約為一個音量級別的1/3。·

如果要使音量增加一個級別(f-ff)，就要增加到10件，因為10log??(10)=10×1=10dB；而再增加一個級別，則需增加到100件。

相對強度變化與分貝的關(guān)系

相對強度的變化(I/I?)分貝的變化（dB)10104623100.5-30.25-60.1-10聲音的強度級(IntensityLevel,IL)分貝是可聽到的聲音的相對強度級的實用單位。就人們感覺上的反應(yīng)來說，只有聲功率級的改變達到1個分貝時才能勉強分辨出來。強度級增加3分貝，意味著強度翻一番；強度級增加10分貝，意味著響度翻一番。不同聲音的強度級聲音類型強度（dB）聽覺閾0耳語10-20很輕柔的樂聲30一般住宅區(qū)40-50談話60-70繁忙街道車輛聲70-80雷聲110痛覺閾1202023/4/5分貝的音響演示（8）

theDecibelScale分貝的音響演示（9）

theDecibelScale2023/4/5貝的音響演示（10）

theDecibelScale2023/4/5貝的音響演示（11）

theDecibelScale2023/4/55，聲強級和聲壓級

(IntensityLevelandSoundPressureLevel)任何聲音的強度都可以和我們可以聽到的最弱聲音的強度作比較。從而得到它的聲強級。IL=10log??（I/I?）最弱聲音的強度：I?=10?12W/m2

例如一個聲音的強度為I=10??W/m2，它是最弱聲音強度的10000倍，

因為:I/I?=10??/10?12=10?所以它的聲強級IL=10log??(10?)=10×4=40dB聲強級和聲壓級大部分麥克風(fēng)主要感受的是聲壓，而不是聲強。用麥克風(fēng)測量所得的結(jié)果是聲壓級(SPL)而不是聲強級(IL)。因為聲強和聲壓的平方成正比，所以I/I?=P2/P?2=(P/P?)2SPL=10log??(P/P?)2=20log??(P/P?)對大多數(shù)音樂實踐來說，聲強級（IL)聲壓級（SPL)可以互換使用，對它們的差別忽略不計。6,聽閾聽閾是一個聽覺敏銳的人，在聽一個純音時，所能感受到得最小聲強。聽閾曲線是在實驗室條件下，由聽覺敏銳的人，把周圍噪聲全部去除測得的。在100人中，只有1人有這樣的聽覺。聽閾和等響度曲線聽閾曲線的特點人耳對純音最敏感的頻率在4000Hz左右。此時的聲強小于0dB。在1000Hz聽閾的聲強為4dB，2倍于I?。在低音區(qū)，我們聽覺的感受力急劇下降。聽閾在25Hz時為64dB，比在1000Hz要大60dB。7，等響度曲線

(Equalloudnesscontours)為了保持一個音的音量不變，在改變它的頻率時，就必須同時改變它的聲強，由此形成的曲線，稱為等響度曲線。以1000Hz的純音為例：我們用60dB的聲強發(fā)出一個聲音；為保持同樣的響度，在440Hz時需要56dB，在110Hz時，則需要66dB。任何聲強的聲音，都可以在等響度曲線圖上找到為保持同樣響度，在不同頻率所需要的聲音強度。等響度曲線表示了我們的聽覺，在頻率變化時，響度感覺同時變化的關(guān)系。聽覺的響度感受特性在等響度曲線上，聽覺對響度感受的一個重要特點是在低音區(qū)時，音量非常輕時，彎曲得很厲害；而在音量大的時候，則彎曲得不那么厲害。這意味著，低音區(qū)的聲音在我們剛可以聽到時，已具有相當?shù)哪芰?。如同樣的聽閾，?5Hz時，需64分貝；在1000Hz時則為4分貝。但隨著能量的增加，低音區(qū)響度也會急劇增加：如1000Hz從30方-100方響度，需要70分貝的強度差；而30Hz從30方-100方響度則只需45分貝。音量每一等級的變化，前者需10分貝；而后者為不到7分貝。

聽覺的響度感覺特性人耳這種在低音區(qū)音量幅度范圍的收縮，必須要考慮電子擴音機的因素。當擴音機的功率增加時，低音的音量會增加的較明顯；而當擴音機的功率降低時，低音的音量也會比高音下降得更快。為了改善這種情況，在有些擴音機上有“等響度”（Loudness）按鈕，在音量降低時，提升低音，以改善聽覺上的低音缺乏。8，響度級，單位（方）

loundnesslevel(phons)Phons是響度單位。我們把1000Hz純音用不同聲強產(chǎn)生的響度作為響度單位phons。等響度曲線表明，在這條線上，音量是保持不變的。聲強級（用分貝表示）是一個客觀的量，告訴我們聲音有多少能量；響度級（用方表示）則是一個主觀的量，告訴我們這個音聽來有多響。309，響度單位：宋(sone)一個純音，當它的響度下降10方時，我們就覺得它的音量減少一半。這表明，一個音的音量，并不簡單地與它的響度級（方）成正比。如一個80方的音，并不比一個40方的音響一倍。實際上，一個50方的音，聽上去比一個40方的音響一倍。經(jīng)過大量的檢測證明，一個純音當它的響度下降10方時，我們就覺得它的音量減少一半；反之亦然。為了定義響度之間的相互關(guān)系，1936年，Steven用一種新的響度單位來劃分：宋（sone）。定義：頻率為1000Hz，聲壓為40分貝的一個純音所產(chǎn)生的響度為1宋。任何一個聲音的響度如果被聽者判斷為1宋純音的n倍，這個聲音的響度就是n宋。宋，樂音音量與分貝的關(guān)系

宋(sone)樂音音量聲強(dB)0.5ppp301pp402p504mp608mf7016f8032ff9064fff10010，聲級計

soundlevelmeters：thedB(A)scale聲級計可以測量客觀的聲音強度，并給出相應(yīng)的主觀的聲音響度。聲級計有一個麥克風(fēng)，可以感受聲音壓力的變化。它也有一個“平衡網(wǎng)絡(luò)”，可以通過電子電路把某些頻率提升，而把某些頻率降低。以使顯示出來的讀數(shù)與人耳的聽覺大致一致。最常用的A平衡網(wǎng)絡(luò),表示為dB(A)。這樣表示的聲級水平和響度水平是一致的。音樂實踐中的聲級如果我們在一個普通的房間里，離開演奏者2米放一個聲級計，測出的結(jié)果為：小提琴（最輕）60-（最強）95分貝；小號（最輕）70-（最強）100分貝。

一個大型交響樂隊，在音樂廳的前排中間測量，弱奏時的為48分貝，強奏時為99分貝。

11，大音量聲音以及聽力損傷聽力損傷有2種：聽力暫時降低和聽力永久損傷。通常認為聲強低于80分貝，即使長時間在這種環(huán)境中也是安全的；許多國家都把90分貝作為環(huán)境噪聲的最高限度。在英國噪聲控制運用“平均能量”原則。即以8小時，持續(xù)聽90分貝(A)作為聽覺所能接受的最大能量。按此計算，93分貝最長允許4小時；96分貝最長允許2小時；依次類推。12，掩蔽效應(yīng)

(masking)當一個聲音單獨發(fā)音時是聽得見的，而當另一個聲音同時發(fā)音時，它就聽不見了。這個聲音，我們稱之為“被掩蔽了”。當一個聲音發(fā)音時，我們覺得它的音量是大的，而當另一個音量更大的聲音同時發(fā)聲時，我們感覺前一個聲音變輕了。這也是掩蔽效應(yīng)的一種表現(xiàn)。這種情況在生活中普遍存在。在音樂表演中，凡是2個人以上的合奏，都存在這個問題。所謂“音量的平衡”，實際上就是聽覺上掩蔽效應(yīng)的問題。掩蔽效應(yīng)的生理原因右圖：是基底膜在不同音高，不同音量的音發(fā)音時的振動圖形。(a)一個輕的1000Hz音；(b)一個響的1000Hz音；(c)一個響的1000Hz音和一個輕的2000Hz音；(d)一個響的1000Hz音和一個輕的500Hz音。顯然2000Hz輕的音被1000Hz強的音掩蔽了，而500Hz同樣輕的音就不會被掩蔽。右圖顯示了當一個1000Hz的音以不同的強度發(fā)音時，對其它音所產(chǎn)生的掩蔽效應(yīng)。這些曲線表明：一個音量大的純音，更容易對比它頻率高的音產(chǎn)生掩蔽效應(yīng)，而對比它頻率低的，則掩蔽效應(yīng)就減弱了。被掩蔽音的聽閾局部掩蔽:等響度曲線的變化右圖：中間的黑色柱是一個中心為1000Hz的窄帶噪聲，強度為70dB的掩蔽聲。虛線是不同響度的聲音在沒有掩蔽聲時的等響度曲線；實線是在有掩蔽聲時，變形的等響度曲線。局部掩蔽:等響度曲線的變化上圖所揭示的掩蔽現(xiàn)象，對音樂實踐有重要意義。

頻率區(qū)域顯示，沒有變形的等響度曲線（虛線），幾乎與相應(yīng)的聲強線平行。它表明了耳朵在沒有掩蔽聲時的聽力特點。

聲強為70dB的掩蔽聲使1000Hz附近的音聽閾提高了60dB；而75phons的等響度曲線則只提高了7dB，掩蔽聲把等響度曲線在自己頻率附近擠得互相都靠得很近。這意味著，這時，被掩蔽音只要強度稍增加，響度就會增加很多。右圖：一支長笛用固定的80dB吹D6（約為“f”），另一支長笛則吹C6。圖中的實線表示它吹不同音量時，所要用的聲強。作為比較虛線則表示當另一個長笛停止演奏時，它吹相應(yīng)力度所用的聲強。

局部掩蔽:等響度曲線的變化局部掩蔽:等響度曲線的變化這圖中虛線和實線中間的區(qū)域，就是C6被D6所局部掩蔽的部分。如果C6吹的強度為”f”，當?shù)诙€演奏者加入，吹D6時，第一個演奏者必須把聲強加大約5dB，才能保持它原先的音量。而如果C6原先的演奏的強度為”p”，那么當?shù)诙€演奏者的D6加入時，為了補償掩蔽效應(yīng)，第一個演奏者必須把他的聲強增加約20dB,才能保持原來的音量。

當一個演奏者在樂隊演奏時，要求他對音量的控制能力，遠比他在無伴奏時要來得大。按理論的分析，對一個沒有掩蔽的音，每一個音量力度的變化，相應(yīng)要求聲強的變化約10dB，而圖中表示，當掩蔽聲存在時，從“ppp”到“mf”之間的4個音量級，每級所需的聲強變化僅為4dB。音樂實踐中的掩蔽效應(yīng)交響樂配器法中一個最基本的問題是使各個獨立的旋律線條在整個樂隊織體中，保持能讓人聽到。很顯然，這就是一個掩蔽的問題。由于交響樂隊發(fā)音的復(fù)雜性，唯一可靠的就是經(jīng)驗。

我們知道，一個純音掩蔽效應(yīng)最強的，是對比它頻率高的音。一個音量大的樂音，它的掩蔽效應(yīng)至少可以擴展到它基音以上的2個八度。

因此我們可以看到樂隊配器中的一個重要經(jīng)驗：一種樂器演奏一條旋律，很容易被過強的頻率比它低的伴奏音所淹沒；而不大可能被頻率比它高的伴奏所掩蓋。在交響樂隊中，低音銅管樂器的音量是最大的，當它們被用作伴奏時，要特別小心。音響演示：掩蔽效應(yīng)（22）有2個純音，分別為1200Hz和2000Hz。先用1200Hz作掩蔽聲，2000Hz作實驗聲；然后用2000Hz作掩蔽聲，1200Hz作實驗聲。分別聽辨，有什么差別嗎？柴可夫斯基：第六交響樂上圖：為了避免把旋律掩蔽，伴奏部分標了“semprep”，而小提琴中