2.1 聲音的物理屬性
2.1.1 聲波的產生與傳播
物體的機械振動經媒質由近向遠傳播，形成聲波，聲波作用於人耳所引起的主觀感覺形成聲音。
做機械振動的物體稱聲源。各種固體、液體、氣體等有彈性的物質都可以作傳播聲波的媒介，其傳播速度的大小和強度取決於媒質彈性的大小，聲波在固體中傳播的速度比在空氣中的傳播速度快。
下列以空氣為例，討論聲波在媒介中傳播的物理過程。空氣是由大量分子組成的，它具有質量和彈性，其行為像彈簧，具有可壓縮性。可以用質點表示部分空氣的集合，當物體發生振動時，將帶動它周圍的空氣質點一起振動，由於空氣可以被壓縮，振動質點會連續不斷地引起相鄰質點的振動，在質點的相互作用下，振動物體周圍的空氣就會出現壓縮和膨脹的過程，使空氣形成疏密相間的分布，並逐步向外擴展，形成聲波。
在聲場中空氣質點僅在原地振動，傳播出去的隻是波動的形式，類似麥田的麥波。麥波隨風飄蕩，但是麥子並未被移走。在波動的傳播過程中，質點振動的能量在均勻地向前傳播。
聲波是由振動物體向周圍媒質輻射並在媒質中傳播的一種物質。波分為縱波、橫波和表麵波三種。縱波是媒質質點的振動方向與波傳播方向一致的波，也就是媒質的稀疏和稠密的交替傳播過程，聲波就是以這種方式傳播的。橫波是媒質質點的振動方向與波傳播方向垂直的波。表麵波中媒質質點做橢圓運動，表麵波是在兩種媒質的界麵處發生的。
聲波存在的空間稱作聲場，和別的物質一樣，聲場也可用物理衡量，如頻率、聲速、波長、聲壓、聲功率、聲壓級等。
2.1.2 頻率、聲速、波長與相位
（1）頻率
振動體每秒振動的次數稱為頻率，用符號f表示，頻率的單位是赫茲（Hz），簡稱赫。振動體每秒振動一次時表示為
1Hz=1（次/秒）
振動體每振動一次，即完成一次往複運動所需要的時間為周期，用符號T表示，單位是秒（s）。頻率和周期的關係為
f=1/T
發聲體每秒振動次數越多，即頻率越高，聽音者感覺聲音的音調越高，一般稱之為聲音尖銳；反之，頻率低的聲音音調低，聽起來聲音低沉。一般把頻率為20～40Hz的聲音稱為超低音，50～100Hz的聲音稱為低音，200～500Hz的聲音稱為中低音，1000～5000Hz的聲音稱為中高音，10000～20000Hz的聲音稱為高音。C調的“1”頻率是256Hz，而高八度的“1”頻率是512Hz。
（2）聲速
聲波在傳聲介質中，每秒傳播的距離稱為聲波的傳播速度，簡稱聲速，用符號c表示，單位是米/秒（m/s）。聲音在不同的介質中的傳播速度是不同的，在標準大氣壓下，0℃的空氣中，聲音的速度是331.4m/s。空氣的溫度越高，聲速越快，溫度每增加1℃，聲速增加0.607m/s。
聲音在固體中傳播的速度最快，其次是液體，再次是氣體。如在水中一般是1450m/s；在鋼鐵中約為5000m/s。由此可見，聲速決定於傳聲介質的性質，而與聲源頻率及強度無關。一般計算中，取聲速c=340m/s。
（3）波長
物體或空氣分子每完成一次往返運動或疏密相間的運動所經過的距離稱為波長，用符號λ表示，單位是m。在一定的傳聲介質中，波長是由聲波的頻率決定的：頻率高，波長短；頻率低，波長長。根據頻率、波長和聲速的定義，三者之間有如下關係：
λ＝c/f
如常溫下（15℃），在空氣中的聲波頻率為100Hz時，波長為λ=c/f=340/100=3.4（m）;在水中的聲波頻率為100Hz時，波長則為λ=c/f=1450/100=14.5（m）
（4）相位
這一名詞說明聲波在其周期運動中所達到的精確位置。相位通常以圓周的度數來計算，因而360°就相當於一個完整的運動周期。沿著時間軸畫出波動的圖形，能清楚地說明相位關係。可以看出，任何一個波動的起始點離其相鄰波的起始點恰好是360°。這就是說明所有波峰都是互相同相。同樣，所有波穀均相距360°。也就是說，它們也都是互相同相。而波峰與波穀之間則是互相反相，因為它們的相位差為180°。
這裏有一個重要的問題需要弄清楚，就是同相的聲音是相加的，並易於結合；而反相的聲音則是相減的，並互相抵消。
2.1.3 聲壓、聲壓級
（1）聲壓
上麵談到物體振動帶動周圍媒質空氣產生膨脹和壓縮，所謂膨脹和壓縮是相對於沒有聲波存在時的空氣而言的，實際上，沒有聲波存在時空氣本身存在靜壓力，就是大氣壓力。假定當地環境的大氣壓力接近標準大氣壓，一個標準大氣壓為101.3Pa。（壓力的計量單位是帕斯卡，符號為Pa）由於聲波的存在，使空氣中的壓力變化，局部被壓縮的空氣的壓力在原先靜壓力的基礎上增大了，局部膨脹了的空氣的壓力在原先靜壓力的基礎上減小了。所謂聲壓就是由於聲波的存在引起空氣的壓力在原先的靜壓力的基礎上增大或減小的量的有效值，這個變化的量和靜壓力比起來是非常小的。聲壓的單位也可以是Pa。根據統計，人耳能聽到的1kHz聲音的最小聲壓為0.00002Pa（或者寫成2×10-5Pa），我們將此聲壓稱為參考聲壓（Po）。當聲壓達到20Pa時我們已經覺得聲音太大了，長期聽這樣的聲音讓人受不了，當然比20Pa更大的聲音我們還能聽，但是更難受，如果聲壓繼續增大，可能對人耳產生永久性損傷。
（2）聲壓級
上麵講到人耳能聽到最小聲壓和能忍受的最大聲壓相差很大，達到一百萬倍以上。實際上，人耳對聲音響度的感覺與聲壓的對數關係更接近，為了討論方便人們又設置了聲壓級（SPL或Lp）這個參數，單位為分貝（dB）
Lp=20log10P/Po=20lgP/Po
式中P—被指定的聲壓，Pa；
Po—參考聲壓，Pa。
當P=Po時，Lp=20lg0.00002/0.00002=20×0=0dB，說明當指定的聲壓等於參考聲壓0.00002Pa時，其聲壓級為0dB，也就是說人耳剛剛能聽到的1kHz聲音的聲壓級為0dB。同理，當聲壓為1Pa時用聲壓級來表示就是94dB。
2.1.4 聲波傳播的狀態
（1）聲波的反射
聲波在傳播的過程中，遇到一種媒質與另一種媒質的分界麵時，由於兩種媒質的聲學性質不一樣，一部分聲能在分界麵改變傳播方向返回到原先的媒介中去的現象叫聲波的反射。
（2）聲波的繞射
聲波遇到牆麵除了反射之外，還會沿著牆麵邊緣而彎曲線路向前繼續傳播，聲波繞過牆麵邊緣或柱麵、洞孔等繼續進行傳播叫聲波的繞射，也稱衍射。
聲波的繞射與聲波波長及繞射麵大小有關，繞射麵小於波長很多，聲波會繞過物體表麵，當聲波波長與繞射麵大小相當時，聲波會有一部分產生繞射，而另一部分被阻擋的形成反射波。當聲波波長比障礙物尺寸小很多時，基本被障礙物擋住。聲音的繞射現象一般發生在低頻段，聲波在遇到柱子等小型障礙物時可以不受其幹擾，繞過障礙物繼續傳播，而中、高頻段的聲波被障礙物擋住產生反射波，因此在障礙物後麵的聽眾聽不到中、高頻段的直達聲，隻有低頻可以繞過去，因此聽到的低頻多，聲音的清晰度很差，聲場中的這一部分被稱為聲影區。
（3）聲波的散射
聲波向各個方向的不規則反射，形成散射。如劇場、廳堂中的凸形牆麵、表麵粗糙的牆麵，就是使聲波碰到凸形麵或高低不平麵時產生散射，以調節聲場效果。在聲場內設置擴散體，使聲音發生擴散的目的是為了使聲場內的各個部位的聲壓級大致均勻，同時可以有效地消除聲像顫動、回聲一類的聲場缺陷。
（4）聲波的衰減
聲波在媒質中傳播的過程中，由於透射、吸收等原因，會使聲能量損失。
（5）聲波的吸收
聲波通過空氣或其他媒質傳播時，可能會損失一些能量，這種能量損失就是聲波的吸收。其實質是聲能通過媒質材料時進行了能量轉換，如聲波通過吸聲材料的空隙時，聲能轉變為熱能。
（6）聲波的幹涉
聲波的幹涉是指兩個頻率相同的聲波互相疊加後所產生的現象，幹涉的結果是使空間聲場有一固定分布，某些點加強，某些點減弱。如果他們的位置相同，兩個聲波的振幅在相同的相位情況下將增強；如果他們的相位相反，互相抵消；如果兩個聲波的相位不是完全相同或相反，而是存在一定的相位差，則聲波有時增加，有時減少。
幹涉現象會引起空間各點聲場之間很大的差異。了解了聲波的幹涉，在錄音時應引起注意，尤其是傳聲器的拾聲和揚聲器的放聲更應合理掌握幹涉的調整。
2.1.5 純音與複合音
（1）純音
純音（puretone）是指由單一振動頻率成分構成的聲音。
（2）複合音
複合音（complextone），是指由一種以上振動頻率成分構成的聲音。自然界中，純音比較少見，因為通常情況下，物體在振動時，除整體振動外，同時還有分段振動，因而都屬於複合振動。例如，琴弦在振動時，除了弦的整體在振動，其他部分，如弦的1/2、1/3、1/4段等，同時也在振動。不僅弦振動如此，空氣柱振動、皮膜振動、各種各樣的板振動和棒振動也基本如此。絕大多數樂器所發的音也都是複合音。
2.1.6 基音、分音、泛音與諧音
（1）基音與分音
複合音中每一個純音成分都有特定的稱謂。在物理聲學中，物體作複合振動時產生的每一個聲音成分稱為“分音”（partialtone）。其中，物體作整體振動時產生的聲音稱為“第1分音”，同時又稱為“基音”（fundamentaltone），其他分音則依振動頻率由低至高順稱為“第2分音”、“第3分音”等。有時，基音以外的分音又稱“高列分音”（upperpartials）。
（2）泛音與諧音
在音樂聲學領域，因為麵對的振動物體多是能夠發出樂音的物體，如弦或管，這些振動體高列分音與基音之間基本構成整數倍的關係，因而音樂聲學將這些振動體產生的高列分音稱為“泛音”（overtones）或“倍音”。因為這些泛音聽起來比較和諧，故又統稱為“諧音”（harmonics）。基音稱為“第1諧音”，其他諧音按整數倍的順序稱為“第2諧音”、“第3諧音”等。
一般情況，複合音中的基音振動能量較強，泛音能量相對較弱，因此基因振動頻率往往就決定著這個樂音的主觀音高。但有時也有泛音能量強於基音的情況。譬如，當振動物體的質量很重，而激勵振動體的能量又相對較弱的情況下，會出現局部振動強於整體振動的情況，這時，局部振動產生的泛音就會強於整體振動的基音。從聽覺角度講雖然這時基音的成分依然存在，但其能量相對比較弱，對聽覺的影響力也弱於泛音，因此較強的那個泛音的音高就決定了這個複合音的整體高度。
2.1.7 泛音列、頻譜與音色
（1）泛音列
在音樂聲學和音樂理論研究中，為了便於大家理解複合音的構成，常常將基音和泛音按音高順序排列起來，稱之為“泛音列”（serialofovertone或overtones）。如果基音與泛音之間呈整數倍關係，這個音列又稱“諧音列”（harmonics）。