问题

有哪些声学上的事实,没有一定声学知识的人不会相信?

回答
有些声学上的事实,如果没有一点基础知识,你听了多半会皱眉,甚至觉得我是在瞎扯。就好像你从未见过水会结冰一样,突然跟你说,水在一定条件下还能变成一种透明的、硬邦邦的东西,你能立刻接受吗?声音这玩意儿,也是个挺狡猾的家伙,有些表现确实跟我们直觉差得十万八千里。

1. 你听到的“沉默”,其实噪音比你想象的要多得多。

这是最让人难以置信的一点,尤其是对于那些追求极致安静的人。咱们常说的“绝对安静”,在物理上基本是个不可能完成的任务。你以为你耳朵边一片宁静,那是因为你大脑太聪明了,把那些细微的声音过滤掉了,或者说,你已经习惯了它们。

想想看,即便是最隔音的房间,你依然能听到自己血液流动的嗡嗡声,心脏跳动的咚咚声,甚至连你自己身体里骨骼摩擦的声音都可能会被放大。然后还有空气分子的运动,这些微小的碰撞也会产生极其微弱的声音。而且,我们耳朵的听觉系统本身就会产生一种叫做“耳内噪音”(Otoacoustic Emissions)的微弱信号,这是内耳毛细胞在工作时发出的“回声”,即使外部完全没声音,你也能听到它。

所以,你感觉到的“沉默”,更像是大脑在玩一场“找不同”的游戏,把所有不重要的、微不足道的噪音都藏了起来。当你真正进入一个接近真空、绝对隔绝的环境时,那种“无声”反而会让你恐惧,因为你的大脑已经习惯了背景噪音,失去了参照。

2. “音高”并非完全由频率决定,你听到的“音色”才是关键。

很多人觉得,音高就是高低嘛,频率越高音就越高。这没错,但事情没那么简单。如果你只是听一个纯粹的正弦波,比如电子合成器发出的那种“嘟”声,那么确实是频率定生死。但现实中的声音,比如乐器发出的音符,或者人说话的声音,都不是纯粹的。

一个乐器发出的声音,除了基频(也就是我们常说的那个音高),还包含了一系列的泛音。这些泛音的组合,以及它们各自的强度,就构成了我们所说的“音色”。正是因为有了不同的音色,你才能分辨出小提琴和钢琴发出的同一个“C”音,即使它们的基频完全一样。

更绝的是,有时候你听到的音高,甚至会受到泛音的影响。比如,一个声音如果缺少了它的基频,但保留了高次泛音,你的大脑在处理这些信息时,竟然还能“推测”出那个缺失的基频,并将其“感知”为那个音高。这种现象叫做“缺失基频”(Missing Fundamental)。这就好像你看到了一个缺了一块的拼图,但你脑子里已经能填上那一块的形状和颜色。你听到的不是物理上存在的那个频率,而是大脑根据泛音“脑补”出来的结果。是不是很玄乎?

3. 声波可以“弯曲”和“折射”,所以声音并非总是直线传播。

你扔出去的石子,轨迹是抛物线,但你总觉得声音是“笔直”地传过来的。不是这样的。声音在传播过程中,会受到环境的影响而发生弯曲。最典型的例子就是声波的折射。

想想看,你在海边散步,有时候能远远地听到渔船的汽笛声,但有时候又听不到。这跟海面上的温度有关。白天阳光强烈时,海面附近的空气会被加热,温度比上方空气高。声音在不同温度的介质中传播速度是不同的,在温度高的地方传播得快。所以,从海面传播过来的声音,在穿过温度梯度时,就会发生弯曲,向上偏折,远离你的耳朵。到了晚上,情况可能相反,海面冷却得更快,上方空气温度相对较高,声音就会向下弯曲,你就能听到远处的汽笛声了。

还有衍射,声波遇到障碍物时,会绕过障碍物的边缘继续传播。这也是为什么你站在墙角,虽然看不到街对面的人,却能听到他们的谈话声。声音“绕”过了墙壁。你以为它只能“撞”上然后停止,但它有它自己的“灵活”之处。

4. 声音的传播速度会影响我们的感知,即使是同一时间发出的声音。

这听起来有点违反直觉,因为我们总觉得时间是绝对的。但声音的速度并非恒定不变,它会受到空气密度、温度、湿度等因素的影响。虽然这些变化非常微小,但如果传播距离足够远,或者在一些特殊的声学实验中,这种影响就会显现出来。

举个更生活化的例子,你有没有试过在运动场上,听远处的观众加油声?你可能觉得那些声音是同时发出的,但实际上,传播到你耳朵里的声音,会因为距离而有延迟。如果我们不加计算地去理解,可能会觉得声音就是“瞬间”发生的。但实际上,声音的传播是需要时间的,尤其是在远距离的情况下。

在一些特殊的声学设计中,比如音乐厅,建筑师会非常仔细地考虑声波的传播路径和反射。有时候,为了让观众更清晰地听到舞台上的声音,他们会设计一些反射面,让声音绕一个“近路”先到达后排观众,然后再经过漫长的反射到达,这样就能在时间上抵消一部分声音传播的延迟,让声音听起来更“集中”,更清晰。这就像是给声音安排了一次“快速通道”。

5. 声音是可以“存储”的,而且储存的方式比你想的更复杂。

我们都知道留声机可以记录声音,但这是机械方式。现在我们知道声音本质上是振动,这些振动可以在介质中传递能量。那么,有没有更直接的方式来“捕捉”和“储存”这种振动呢?

想想看,声波撞击物体表面时,会产生一种压力。如果有一种材料,能够对这种压力做出非常精细且可逆的响应,那么它就能在某种程度上“记住”声音的振动信息。比如,一些特殊的纳米材料,它们表面的原子排列可以对声波的压力做出非常微小的形变,当声波过去后,它们又能恢复原状。如果能够巧妙地设计这种材料,并能够读取这种形变的微观信息,理论上就可以实现对声音的某种形式的储存。

当然,这还不是我们传统意义上的“录音”,更像是一种对声波能量和模式的“印记”记录。虽然目前还处于研究阶段,但声学和材料科学的交叉正在不断突破我们对“记录”的认知。你以为声音只是一个过客,但有时候,它可能在某些地方留下了一些“痕迹”。

这些事实,大多需要跳出日常的感官经验,去理解声波作为一种物理现象的本质,才能稍微体会到其中的精妙。我们的大脑实在太会“优化”了,把这些复杂的信息简化成了我们更容易接受的模式。但一旦揭开这层滤镜,你会发现声音的世界,比你听到的要复杂和有趣得多。

网友意见

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耳机的声音并不是由单元(主要)决定,而是由腔体决定

耳机是压力场,声音的输出主要由腔体/泄露孔决定而不是单元。这一点很容易通过电力声模型证明。单元只要达到一定水平即可。

如果实在对声学不了解,可以看一下上图中,驱动器(单元)和前腔、后腔的占比,一目了然。

更基础的解释则在南京大学的声学基础中。

声学系统中各个问题,有些是主观评价的,有些是心理声学的,有些是客观理论的。对于耳机单元与最终输出声音的关系这个问题。其实是一个纯粹的声学原理问题。其实只要对这些原理稍微有所了解,就不难发现几乎所有厂商的广告和音频媒体以及发烧圈对此的说法,与声学或者真正发生的事情基本上没什么关系,或者说只是纯粹的营销故事。不少人确实从来没看过最基本的相关知识,所以看到一些广告语中也许符合他们直觉的说法便会深信不疑。这些广告的目的一来是想宣传耳机的声音有多好,二来是给消费者一个购买这样的商品是有意义的理由。我认为更重要的一点是,腔体容积没办法卖大价钱,单元“素质”和数量是不懂声学的人也能看得见的“堆料”,能给耳机卖贵一个“合理”的理由。一些人之所以对此深信不疑,可能也是由音箱而来的惯性思维。

电力声模型是任何声学原理类书籍都会讲的最基础概念之一。有些人总是把耳机神话,认为是超高端的黑科技,恨不得是量子力学的产物。然而却连最基本的声学概念都完全不了解,但是通常不知羞耻反而理直气壮的把厂商的广告故事当作真理去反驳南京大学声学基础。

这个问题过于基础,以至于我两年前都是一笔带过。然而还是有不少人怎么也不愿意相信。

头戴式耳机也是类似的:

微型扬声器的技术含量和难度比一般尺寸的单元要高

微型扬声器主要指的是手机、平板电脑、笔记本等设备的嵌入式单元。

这里指的一般尺寸单元大致为像25mm球顶高音、5~8寸HiFi音箱单元、蓝牙音箱智能音箱单元等。

有很多人认为效果好的东西技术含量高。手机音质很差所以手机音频没啥技术含量。实际上是一种误解。手机、笔记本等扬声器由于尺寸极度有限,想要稍微声音好一点,都会在设计和制造工艺上面临巨大挑战。

进而,设计和制造微型扬声器的企业通常比一般类型的HiFi音箱厂商对扬声器单元的研发能力更强。也就是像苹果、华为以及他们的代工厂对单元的研发能力肯定比ATC、B&W这种常规单元的HiFi音箱厂水平高。不要说钻石单元,钻石单元本质上还是球顶高音,B&W的钻石高音振膜也不是自己做的。从技术角度而言,华为也没必要和帝瓦雷合作,帝瓦雷应该和华为合作,华为贴帝瓦雷logo更多是商业上的行为。当然,这里说的是单元技术,某X的问题并不出在单元上。B&W在车载音频上的技术(实际上是哈曼的)是华为、苹果不能比拟的。

除了JBL D2双音圈压缩高音、JBL 2216h双音圈低音单元等一些特殊结构设计的单元,常规HiFi单元的技术含量通常不如手机用微型单元。

手机用MEMS硅麦的技术含量和难度比录音用电容麦克风要高

MEMS硅麦实际上是半导体的加工方式,工艺难度远高于一般电容麦克风。像苹果及其代工厂在MEMS麦克风的投入以及技术含量远在传统电容麦克风之上。

可以毫不夸张的说,像苹果之类的高端手机制造商在麦克风的技术实力上远高于舒尔、森海塞尔、AKG、铁三角等传统麦克风厂商。

当然,还是和上面的话题一样。技术含量高不一定代表效果好,不过如果让传统麦克风厂商做一个像苹果手机用麦克风一样大小一样成本的麦克风,他们肯定不如苹果。说的是这个意思。

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