1.1 声音的物理特性
声音是一种看不见、摸不着的自然现象，从17 世纪初伟大的科学家伽利略开始，人们为了掌握声音的客观规律而创立了“物理声学”这一学科，并发现了声音的许多物理特性。
1.1.1 声音与波形图
声音产生于空气中的振动，如人的声带、乐器的琴弦和机械的振动等。这些振动能够推动附近的空气分子运动，从微观上提高了某个区域空气的压力。处于较高压力下的空气分子又推动周围的空气分子运动，以此类推，产生气压的波动。当这些压力波变化到达人耳时，人耳就会成为振动的受体，所感受到的振动就是声音。当然，除空气以外的其他弹性媒质也能够传播声音，如各类液体、金属等，只不过与空气相比，其他媒介的声音传播特性有所不同。
代表声音的可视化波形图反映了声音振动产生的空气疏密波。波形的零点线是指静止的空气压力，当空气波动到达高峰时，代表较高的压力；当空气波动到达低谷时，代表较低的压力，如图1-1所示。
图1-1 可视化的声音波形图
1.零点线
零点线就是一个有效的声音正弦波与中心线的交叉点，是外界大气压力的基准线。简单地说，声波曲线与零点线交叉时，处在无声即静音状态。
2.高压区
声波使某一瞬间的空气压力高于外界大气气压。
3.低压区
声波使某一瞬间的空气压力低于外界大气气压。
经验
在进行音频编辑时，选择声音片段起始点和结尾点都处于零点线位置的区域进行剪切、复制、粘贴或删除时，对原波形文件的整体破坏也减至最小，在听觉上会更加自然。
1.1.2 声压级与声强级
根据上一节阐述的原理，声压是指声波振动而产生的空气逾量压强，它等于声波存在时的空气压强减去没有声波时的空气压强。声压的基本单位为帕（Pa）。
在声波传播的过程中，媒质中的各质点都要发生振动，因此具有动能，同时，媒质还要发生形变，因而还具有位能，由此可见，声波的传播也是能量的传播。声强是指声波在单位面积上产生的能量。声强的基本单位为瓦/米 2(w/m2)。
声压值和声强值都是声波的客观绝对值。
人耳听觉的能量范围是1013:1，这是一个极大的范围，人对声音强弱的感觉大体上与有效声压值或声强值的对数成比例。为了适应人类听觉的这个特性，同时也为了计量方便，科学家把声压有效值和声强值取对数来表示声音的强弱，这种表示声音强弱的数值称为声压级（dB）或声强级（dB）。
1.声压级（dB）
声压级（dB）用两个声压比对数值的20倍来描述。
Lp= SPL=20lgP1/P0
P1=被测声压值
P0=参考声压值=0.00002 Pa（人耳所能听到的最低声压值）
2.声强级（dB）
声强级（dB）用两个声强比对数值的10倍来描述。
LI= SIL=10lgI1/I0
I1=被测声强值
I0=参考声强值=10-12 w/m2（人耳所能感受到的最低声强值）
声压级和声强级都是以人耳听阈最低值为参考的客观相对值。
提示
贝尔（BEL）是广为应用一种相对值，定义为两个数值比的常用对数。分贝尔（dB）定义为两个数值比的常用对数的10倍，分贝尔简称分贝（dB）。分贝表示法的主要价值在于它使人们能够在较小的数值范围内讨论数值范围很大的物理量。
1.1.3 声波的基本参数
对声波的描述主要使用频率、振幅、波长、周期和相位等物理参数。
1.频率（Frequency）
频率是指物体每秒钟振动的次数，单位是赫兹（Hz）。例如，1000Hz的波形每秒有1000个振动周期。频率越高，音调越高。
2.振幅（AmpIitude）
振幅是振动物体离开零点线位置的最大距离，它描述了物体振动幅度的大小和振动的强弱，较大的振幅波形产生较强的声音，较小的振幅波形产生较弱的声音，如图1-2所示。
图1-2 20Hz完整的声波图
3.波长（WaveIength）
波长是指声波在一个振动周期内传播的距离，它可以用相邻两个波峰或波谷之间的距离来表达，其公式为：波长=速度/频率。例如，30Hz声波的一周，其波长为344m/s除以30Hz，约为11.4m，如图1-3所示。
图1-3 一个周期的声波图
4.周期（CycIe）
周期是物体完成一次振动所用的时间，即从零点位置到高压区再到低压区，最后以相同的方向返回原点所需的时间，如图1-3所示。
5.相位（Phase）
相位是描述信号波形变化的度量，通常以度作为单位，也称为相角。当信号波形以周期的方式变化时，波形循环一周即为360°。零点为起始点，当在90° 时处于波峰位置，当在180°时第一次回到零点，当在270 °时处于波谷位置，当在360°时再次回到零点，如图1-3所示。
1.1.4 声波的反射与衍射
声波的反射十分类似于光波，声波能在一个表面上以与入射角相同的角度反方向进行反射，这一基本特征是进行复杂声学研究的基础。常见的4种声波反射现象如图1-4所示。
图1-4 声波的反射现象
声波的衍射是指声波有绕过或通过声学障碍物的固有能力。换句话说，声波能够以某种方式通过障碍物以重建原来的波形。波长与障碍物的大小是影响声波衍射的两个主要因素，声波衍射常见的4种情况如图1-5所示。
图1-5 声波衍射的状况
（1）波长相对于障碍物的尺寸很大，声波几乎不受影响。
（2）障碍物尺寸相对波长较大，对声波有阻碍作用。
（3）障碍物中较小的开口对声波有影响，并以新的源点向外辐射。
（4）相对于波长障碍物开口很大，声音通过开口影响很小。
1.1.5 声波的叠加
多个声波信号叠加时，因相位不同将产生意想不到的效果。
1.同相叠加
两个或多个声波重叠时，如果它们是等相位的叠加，声波的振动强度将增加，其振幅为两个或多个声波之和，如图1-6所示。
图1-6 两个等相位的声波叠加前后的振幅对比
2.反相叠加
两个或多个反相位的声波叠加时，声波的振动强度将相互抵销，如果两个等幅度反相位的声波进行叠加，其振幅为零，声波消失，如图1-7所示。
图1-7 两个反相位的声波叠加前后的振幅对比
3.复杂相位叠加
如果是不同频率和不同振幅的不规则声波混合在一起，最终得到的是复杂的混合声波。我们所听到的自然界中大部分声音都是复杂相位叠加后的混合声波，包括音乐、人声、噪音和其他声音，如图1-8所示。
图1-8 不同频率和振幅的声波混合前后的对比
经验
在音频编辑中常常会有多个声波的叠加现象，会产生极其复杂的波形，我们要特别注意声波叠加后可能产生的相位问题。
4.傅里叶变换定律（FFT）
法国数学家、物理学家傅里叶在研究中发现，任何一个周期性振动，无论其振动多么复杂，都可以分解为一系列不同振幅、不同频率和不同相位的简谐振动，这就是傅里叶变换定律，也是声音合成的基本原理。例如，方波的形成可以由一个正弦波的若干奇次谐波叠加而成，如图1-9所示。
图1-9 正弦波叠加后形成的方波
1.1.6 声波的其他现象
多个声波叠加混合后还会产生其他声学现象，如干涉现象、驻波现象和差拍现象等。
1.干涉（Interference）
两个声波的相位有固定的联系，并在同一方向上振动，其振动叠加后，波形始终在某些点上相互加强或削弱，这种现象称为波的干涉。
2.驻波（Standing wave）
两个相向进行的入射波与反射波干涉后形成的波，其幅值不再是一个恒量，而是有规律地随着空间位置的不同而变化，这种现象称为“驻波”。声压幅值最大时称为“波腹”，声压幅值为零时称为“波节”。
3.差拍（Beat frequency）
差拍也称为拍频，当两个频率几乎相同的声音叠加时，由于人耳不能将两个音高相近的声音分开，当两个声波同相时，它们的合成是两个波的和，而当两个声波反相时，它们的合成是两个波之间的差，两个频率的差值就是它们的差拍。
1.1.7 谐波与频程
谐波和频程也是声学中两个重要的概念。
1.谐波（Harmonic）
一个频率为基波频率整数倍的波形，就称为基频的谐波。例如，1000Hz是500Hz的谐波，因为它是500Hz的两倍，在此情况下，500Hz被称为基波或1次谐波，而1000Hz则称为2次谐波，因为它是基频乘以2所得的结果。以此类推，3次谐波为1500Hz。
2.频程（oct）
仅就人耳可听到的声音频率范围而言，其相差就达1000倍，如果考虑到声学中所涉及的各类声音频率范围宽广，为了方便起见，在声学中把如此宽广的频率范围划分为若干个较小段落，每一段落中两个声音信号频率之间的距离称为频程。在实际使用中，常使用1倍频程和1/3倍频程。
1.1.8 音色包络
音色包络是指某一种乐器特有的强度随时间变化的一种形态，一般由以下4个阶段组成。
1.起音（Attack）
起音也称为声建立，是指声音起始阶段迅速增强的变化形态。
2.持续（Sustain）
持续是描述声建立期之后声音的周期性增减形态。
3.衰落（Decay）
衰落是指声音受到空气阻尼强度开始衰落的变化形态。
4.释音（ReIease);
释音是指声音消失过程中的变化形态。
3种乐器的音色包络分别如图1-10所示。
图1-10 3种乐器音色的波形包络
经验
对音色包络各参数进行调整，可以使乐器声音特点发生改变，甚至产生新的音色。