声音类元器件

更新: 4/10/2025 字数: 0 字 时长: 0 分钟

声音类元器件是一类用于捕捉、处理、传输和再现声音的电子元器件。从音乐录制到通信设备，它们在各种音频应用中发挥关键作用。

音频电子学的很大一部分，其实就是将声音信号转换为电信号，然后对电信号进行各种处理的过程。例如，你可以放大信号，从信号中滤除特定频率，将信号与其他信号混合，将信号转换为可以存储在内存中的数字编码信号，调制信号以进行无线电波传输等。

将声音信号转换成电信号的过程，主要由麦克风实现；而将电信号转换成声音信号，则需要借助于扬声器、蜂鸣器等。除此以外，常见的声音类元器件还包括耳机、声音放大器、声音滤波器、声音编解码器等。这些声音类元器件共同构成了音频生态系统的重要组成部分，使我们能够捕捉、处理和享受声音。

声音

声音是交替压缩与松弛的波，其可在空气中或任何其他可压缩的介质中传播，即从声源传播到接收器的过程；同时，它也被称为声波。 在开始了解具体的元器件之前，让我们先回顾一下声音的基本概念。声音由三个基本元素组成：频率、强度（响度）和音色（音质）。

频率

声音的频率对应于产生声音的物体的振动频率。从人体生理学的角度来看，人耳可以感知从约20 Hz到20,000 Hz的频率；然而，耳朵对于1000到2000 Hz之间的频率最为敏感。下图展示了声音的传播，在左边的音叉以一定的频率震动，会带动周围的空气介质以相同的频率震动，然后通过空气介质传播后传到耳朵里引起鼓膜震动，最后形成我们的听觉。

强度

声音的强度取决于振动物体的振幅。随着人离振动物体的距离增加，声音的强度以距离的平方倒数的比例下降。人耳可以感知令人难以置信的强度范围，从10^-12到1 W/m²。由于这个范围非常广泛，通常使用对数刻度来描述强度，也就是我们常说的“分贝”。

分贝（dB）的定义是 dB = 10 log₁₀(I/I₀)，其中I是以瓦特每米为单位的测得的强度，而I₀ = 10^-12 W/m²，被定义为人类感知为声音的最小强度。人类的音频强度范围介于0到120 分贝之间。下图展示了一些声音及其强度范围。

音质

音质，或称音色（timbre），代表了在乐器、声音等产生基频（fundamental frequency）的同时存在谐波（overtones）时生成的复杂波形模式。

考虑一个共鸣频率为261.6 Hz（中央C）的简单音叉。如果将音叉视为理想振动体，当被敲击时，它将振动产生频率为261.6 Hz的声波。在这种情况下，没有谐波，只有一个频率。但是现在，如果你在小提琴上演奏中央C，你会得到一个最强的261.1 Hz的频率，这个频率被称为基频。除此以外，还会产生一些其他较弱的频率，称为谐波（或泛音）。谐波具有与基频的整数倍的频率（例如，2 × 261.1 Hz是第一个谐波，3 × 261.1 Hz是第二个谐波，n × 261.1 Hz是第n个谐波）。在乐器、声音等的谐波谱中，每个谐波的具体强度很大程度上决定了该乐器、声音等的独特音质。

传播介质

因为声音的产生源自于介质的可压缩性，所以声音可以在所有的介质中传播，尤其是在水这样的液体中。声音在海洋中传播现象尤其令人瞩目，因为光不能穿透很深的海域，所以声音就为该问题提供了很有价值的解决方案。渔民探测鱼群，地理学家考察水下的地形地貌，世界各国海军识别船只、或敌或友的潜艇，都会用到声波或超声波。海洋中的哺乳动物也是通过超声波来进行交流的。在海水中可以使用的音频范围从30 Hz到1.5 MHz，这个值大约比15000 Hz的人类听觉极限高出100倍。

下图模拟了声音在不同介质中传播的速度。

了解了声音的三大基本元素和传播介质后，接下来我们便可以使用具体的元器件来收集、处理和制造声音了。