 “嗓音”（voice）是指人的发音器官发出的声音，包括言语声、歌唱声、笑声、哭声、咳嗽声等等。从本质上讲嗓音是一种声音，因而具有声音的物理学特征。要想正确深刻地认识嗓音，还得寻根溯源，用物理学家理性冷峻的眼神重新审视一下“嗓音”这种事物。当然，我们的歌唱家和音乐爱好者不必成为物理学家，我们喉科医生也不必。只是当我们对嗓音的基本物理学特征了解之后，可以更好地理解嗓音的构成、悦耳嗓音的物理学基础、音乐厅的声学、发音的效率等等和歌唱有关的问题。 我们说嗓音是一种声音，声音的本质是一种运动，是发声振动体的机械运动引起周围介质质点的运动，机械运动在介质中的传播过程产生声波，从而将声音传播出去。我们看不到声波，可以想象向湖面投去石子，石子撞击湖面，湖面形成波纹并向外传播。波的传播并不是媒质质点的位移，质点只在其平衡位置附近振动，上面的例子中，如果水面上飘着树叶，它并不随着波的传播飘向远方，而是在原位置做上下振动。声波不是一种物质，是传播媒介中质点振动和质点运动的能量。举例来说，新年我们敲钟祈福，巨大的木捶撞击大钟，钟体振动，振动的能量引起周围空气介质运动，就形成了声波。声波可以在气体、液体和固体介质中传播，海洋中的鲸能够发出声波召唤同伴，是声波在液体中传播；回音壁通过折射作用使声音增强，是声波在固体中传播。生活中最常见的就是声波在空气中的传播。在不同的介质中，声波传播的速度不同，传播速度与介质的密度有关，介质密度越高、传播速度越快，介质密度越低，传播速度越慢。声波在空气中的传播速度是340m/s。在真空中，因为没有空气这种振动传播的介质，不能形成声波。 最简单的振动形式是简谐振动，任何复杂的振动都可以分解成具有一定特征的简谐运动，其形波是正弦波，声波简谐振动形成的声音是纯音（见图1）。自然界中不存在纯音，只存在复合音，复合音是由许多纯音组成的，通过傅里叶变换，可以将复合音分解为不同频率的纯音。言语声、乐声和噪音都是复杂的复合音。
 图2 复合波的分解 声波的物理特征可以由以下的参数描述:频率和周期、波长、强度、相位（见图2）。频率指单位时间内（通常是秒）内正弦振动的次数。频率的单位是赫兹（Hz）。人耳能够感受的频率范围是20-20000 Hz，低于20 Hz的声波称为次声，高于20000 Hz的称为超声。人耳最敏感的频率范围是1000-4000Hz，言语声的频率范围是500-3000Hz。狗和蝙蝠等动物可以听得到高达16万Hz（是人耳最高值的8倍）的声音。鲸和大象可以产生频率在15到35Hz范围内的声音。频率对应音调，频率高、音调高，频率低、音调低。例如琴弦越细，产生的频率越高，反之琴弦越粗，产生的频率越低。从人耳对声音的感受来说，频率高，人耳感受的声音尖锐，频率低，人耳感受的声音低沉。 那么物体（如琴弦、声带）振动的频率由什么决定呢？物体振动的频率取决于该振动体的质量和劲度（如声带的质量和劲度），质量是指物体所含物质大小。劲度指物体变形的能力和弹性的大小。质量和劲度都是物体的物理属性，由振动体固有的质量和劲度决定的振动频率称为固有频率。一个振动系统（如乐器）的最低固有频率称为基频。刚刚我们说到，乐器声和人声等复合音是由多个纯音构成的，每个纯音是一个正弦波，有其频率。将复合音分解为多个正弦波时，与最低固有频率成整数倍的频率称为谐波频率。含有较多谐波成分的复合音悦耳动听。 声波的波长指沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间距离。单位是米或厘米。波长和频率成反比，频率越高，波长越短，频率越低，波长越长。 声波的强度在声学测量中采用声强表示，声波是一种能量，声强用来描述能量的大小，声强指在单位时间内（通常是每秒）通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，单位为 W/m2（瓦/平方米）。声强是物理学概念，对于人耳听到的声音来说，还有一个概念是响度。响度是声波作用于人耳后产生的心理上感知的声音强弱，它不仅取决于声音的强度，还与它的频率及波形有关。因而声强与响度不完全成正比。 相位是对于一个波，特定的时刻在周期中的位置，它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。以度为单位，共360度。在两个或更多声波相遇时，由于相位的不同，它们会彼此相加和减去。如果它们的波峰和波谷完全同相，则互相加强，由此产生的波形的振幅高于任何单个波形的振幅（见图3）。如果两个波形的波峰和波谷完全异相，则会相互抵消，导致完全没有波形（见图4）。 写了这么多，都是关于声波的物理学特征，似乎有掉书袋之嫌。尽管笔者物理学基础不错，当年高考物理几乎满分，但是相隔20几年再重拾物理学的基本概念，也是颇费一番脑筋。那又为何浪费笔墨掉书袋，讲这些枯燥乏味的东西？因为这些知识是我们理解更加复杂的嗓音的基础。下一回我们将言归正传，说一说嗓音的物理学特征。 笔者小记：
文 | 黄冬雁 |
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