第一章 噪聲的本質(zhì)
聲音與石頭扔進(jìn)水池中形成的波紋并無(wú)不同，都是從撞擊點(diǎn)向外一圈一圈地?cái)U(kuò)散。每一個(gè)新產(chǎn)生的波紋對(duì)水的擾動(dòng)都比之前更小，它的擴(kuò)散速度保持不變，但高度不斷降低，直到最后水池又平靜如初。物理學(xué)家從水池觀察到的現(xiàn)象則會(huì)與常人大不相同。首先，拋擲的動(dòng)作轉(zhuǎn)移了足夠的能量給石頭，使之能夠在空中飛越；其次，當(dāng)石頭撞擊水面時(shí)，它的速度減緩，一些能量得以釋放，其中的一部分產(chǎn)生了水波，其余部分則產(chǎn)生了撲通聲，并使水溫微微上升。盡管一圈圈的水波是唯一可見(jiàn)的效果，但能量此時(shí)已傳播到整個(gè)水池中，每一環(huán)波紋都是一個(gè)不斷擴(kuò)張的半球殼的邊緣，水面起起伏伏之時(shí)，水溫也有些許的升高。
一個(gè)短促、突然的聲響（脈沖），比如拍手聲，與石塊扔進(jìn)水中的原理相同。能量從拍擊的手掌以一系列球形聲波的形式向外傳播，速度約是水波的百倍。聲波經(jīng)過(guò)的區(qū)域壓力上升：每一個(gè)聲波到達(dá)一段新的空間時(shí)，它所觸及的氣體分子在極短的時(shí)間里會(huì)擠得更近一些，聲波過(guò)后它們又再次分開(kāi)。拍手聲越響亮并不意味著它的聲波傳播得越快，它僅僅是將把空氣分子擠壓得更厲害，迫使它們靠得更近，壓力升得更高一些。
像水波一樣，聲波也會(huì)隨著不斷的擴(kuò)張而減弱，在傳播和衰減的過(guò)程中會(huì)使得房間的溫度略微上升。上升的幅度極小，因?yàn)槁暡梢院苌俚哪芰總鞑シ浅＿h(yuǎn)的距離，這也是聲音無(wú)處不在的原因。
如果房間中有一只耳朵，那么聲波首先抵達(dá)的是它的外緣部分——耳郭。過(guò)去一直認(rèn)為耳郭具有類(lèi)似助聽(tīng)筒一樣放大聲音的功能，但它的形狀與柔軟的質(zhì)地使它不可能擔(dān)負(fù)這樣的重任。不過(guò)，假如沒(méi)有耳郭，只有耳孔的話，我們的聽(tīng)覺(jué)就要差得多。在頭皮這樣平滑的表面上，一個(gè)簡(jiǎn)單陡然的開(kāi)孔只會(huì)將大多數(shù)聲音反射出去，而不是容納它們進(jìn)入。正是耳郭的褶皺在從頭皮到耳道之間起到了逐漸過(guò)渡的作用，使聲波幾乎沒(méi)有遇到什么阻礙就得以進(jìn)入耳內(nèi)。
順利進(jìn)入之后，聲波沿外耳道下行，穿越阻擋小飛蟲(chóng)（大概還有俗話說(shuō)的耳夾子蟲(chóng)）的絨毛和耳垢。兩厘米后，聲波抵達(dá)鼓膜。與其他任何種類(lèi)的鼓一樣，鼓膜是由稀薄材料構(gòu)成的圓盤(pán)，繃得很緊，使得它可以像聲波一樣輕易地振動(dòng)。
但現(xiàn)在還聽(tīng)不到任何聲音。之后，歸功于一系列神奇的結(jié)構(gòu)，鼓膜的細(xì)微顫動(dòng)得以加強(qiáng)。仿照一首老歌的歌詞，鼓膜與一塊聽(tīng)小骨相連，這塊聽(tīng)小骨又與另一塊聽(tīng)小骨相連，然后再與另一塊聽(tīng)小骨相連，最后與一扇小窗連接，夠神奇的。這些聽(tīng)小骨是人體中最小的骨頭，分別被命名為錘骨、砧骨、鐙骨，因?yàn)樗鼈兊男螤羁瓷先ズ芟耔F錘、鐵砧和馬鐙（如果不知道鐵砧是什么，不妨發(fā)揮一下你的想象力，參見(jiàn)圖1）。
這些聽(tīng)小骨是從幾百萬(wàn)年前爬行動(dòng)物顎骨的一部分進(jìn)化而來(lái)的，現(xiàn)在則起到杠桿的作用，它們的協(xié)作使得發(fā)生在鼓膜的微小振動(dòng)在到達(dá)鐙骨的窗口之后變得不那么小了。這種放大效應(yīng)使得我們連鼓膜振幅小于一個(gè)原子直徑那么微弱的聲音都能聽(tīng)得到——它的壓力只相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的十億分之一，其能量若用來(lái)燒開(kāi)水泡一小杯茶，則要花上一億年的時(shí)間。如果我們還想聽(tīng)到比這更輕微的聲音，那就將生活于無(wú)休止的噪聲之中，因?yàn)槲覀儗?huì)聽(tīng)到空氣分子無(wú)所不在的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。所以，我們的聽(tīng)覺(jué)真的不能再好了。
或者，至少對(duì)我們當(dāng)中那些聽(tīng)覺(jué)完全沒(méi)有受損的人來(lái)說(shuō)，它已經(jīng)足夠好了，這些人差不多16歲以下，沒(méi)有太頻繁地聽(tīng)大聲的MP3。而對(duì)其余的人來(lái)說(shuō)，由于時(shí)間和噪聲的作用，聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)都已切實(shí)地受到損傷——作為自然老化過(guò)程的一部分，耳內(nèi)毛細(xì)胞死亡導(dǎo)致聽(tīng)覺(jué)喪失，特別是對(duì)高頻聲失去了感知能力。生活在噪聲環(huán)境中也會(huì)造成聽(tīng)力損失，但是尚不清楚有多少人是由此引起的。我們知道的是，世界上現(xiàn)有1.2億人因失聰而致殘，而所有的成年人都聽(tīng)不到大約15千赫以上頻率的聲音。
未受損的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)可以感知的聲波頻率范圍很廣，從20赫茲到20,000赫茲，超過(guò)九個(gè)八度。與之相比，我們能夠感知的光波的頻率范圍就小得多，從最深的紅色到最暗的紫色，僅為一個(gè)八度（換句話說(shuō)，紫光的頻率大約是深紅的兩倍）。
我們能夠應(yīng)付的聲音能量的范圍甚至比頻率范圍還要大，這不得不讓人驚嘆。某種意義上，我們能感知的最高能量的聲音足以致命，但一般來(lái)講是將上限值定在聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)成為疼痛的那個(gè)點(diǎn)上，所謂疼痛表現(xiàn)為耳內(nèi)深處的一種令人不安的癢感。25米遠(yuǎn)外噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴，或一米外風(fēng)鉆的響聲可達(dá)到這一水平。
我們所能聽(tīng)的最輕與最響的聲音之間的能量范圍是很難形容的。如果把本書(shū)的厚度比作最輕的聲音（這個(gè)比方也許有點(diǎn)怪），那么最響的聲音所對(duì)應(yīng)的書(shū)堆摞起來(lái)可以抵達(dá)月球。換一種說(shuō)法，假如地面上一個(gè)聲源發(fā)出500赫茲的聲音，這個(gè)音量要聽(tīng)起來(lái)痛苦，必須靠近到幾厘米范圍內(nèi)，但要完全無(wú)法聽(tīng)見(jiàn)它，則需直線上升到超過(guò)400公里的高度，此處假設(shè)空氣密度保持不變。
為使聽(tīng)覺(jué)器官免受強(qiáng)聲的傷害，一條與鐙骨相連的肌肉自動(dòng)將其從窗狀小孔處拉離，另一條則拉緊鼓膜。肌肉在響聲停止之后仍然會(huì)保持緊繃一段時(shí)間，這就是為什么噪聲過(guò)后所有聲響聽(tīng)起來(lái)都有些沉悶的原因。這種生理現(xiàn)象叫做聽(tīng)覺(jué)反射，它在聲音抵達(dá)后30至40毫秒內(nèi)產(chǎn)生，在200毫秒左右全面生效。這個(gè)反應(yīng)速度非常令人遺憾，因?yàn)橐粋€(gè)突如其來(lái)的響聲此時(shí)已經(jīng)將足夠量的破壞性能量傳遞到內(nèi)耳中。假如我們生活在一個(gè)突然響聲更普遍的星球上，聽(tīng)覺(jué)反射有可能會(huì)比目前進(jìn)化得更加敏捷。
聲波抵達(dá)最后一塊聽(tīng)小骨之前所發(fā)生的事情已經(jīng)講得很清楚了，之后的情況卻有些不確定。與鐙骨相連的卵圓窗（顧名思義是卵形的）是一個(gè)叫做耳蝸的器官的末端，耳蝸的形狀和體積與一只小蝸牛差不多。它的結(jié)構(gòu)像是一根充滿液體的管子對(duì)折后盤(pán)卷起來(lái)。這根管子的兩半部分相互接觸的地方叫做基底膜，上面覆蓋了微小的絨毛，聲波正是在這個(gè)位置被接收的。
聲波穿過(guò)卵圓窗從管子的一端進(jìn)入，之后沿著管道快速前進(jìn)，先是螺旋式卷入，通過(guò)對(duì)折區(qū)域后又螺旋式卷出。到達(dá)管道末梢時(shí)，聲波與第二個(gè)小窗（這個(gè)是圓形的）相遇，后者向外凸出，吸收了聲波能量以防止它從管道返回導(dǎo)致駐波和混亂。當(dāng)聲波沖擊基底膜上的絨毛時(shí)，絨毛根部的細(xì)胞記錄下這些運(yùn)動(dòng)，并將信號(hào)傳送給大腦。不同波長(zhǎng)的聲波會(huì)撞擊基底膜上不同位置的絨毛，絨毛擺動(dòng)的程度也不同，大腦所接收到的神經(jīng)沖動(dòng)的類(lèi)型使得聲波形式得以解碼。基底膜上離鼓膜較遠(yuǎn)的部分與頻率較低的聲波相對(duì)應(yīng)?；啄さ囊粋€(gè)重要屬性是，如果兩個(gè)相似頻率的聲音作用于同一區(qū)域，那么較響的那個(gè)會(huì)掩蓋較輕的那個(gè)。如果兩個(gè)聲音作用于不同區(qū)域，即使它們?cè)陧懚壬戏浅２煌?，它們也?huì)被分開(kāi)聽(tīng)到。所以，在噪聲環(huán)境中，只要噪聲不處于言語(yǔ)頻率，我們就依然能聽(tīng)清對(duì)方；否則，我們就必須抬高嗓門(mén)將聲音調(diào)整到一個(gè)不同的頻率范圍上。
這只是我們聽(tīng)力系統(tǒng)的其中一個(gè)部分。即使沒(méi)有耳道或者鼓膜，依靠骨傳導(dǎo)我們?nèi)匀豢梢月?tīng)見(jiàn)。聲音通過(guò)耳后顳骨乳突部可以直接傳導(dǎo)至耳蝸。
圖2a顯示了耳部的總體結(jié)構(gòu)，圖2b是一個(gè)簡(jiǎn)單的示意圖。
要談?wù)撛肼?，音量顯然是一個(gè)關(guān)鍵因素，但應(yīng)測(cè)量什么，怎樣測(cè)量，用什么單位來(lái)表示測(cè)量結(jié)果，都沒(méi)有一個(gè)明顯的答案。聲音測(cè)量和聲音單位的沿革是本書(shū)要講述的故事之一，這里先做一個(gè)簡(jiǎn)要綜述。
噪聲與其他任何類(lèi)型的聲音一樣都可以用聲壓（絕大多數(shù)聲音測(cè)量?jī)x器的測(cè)量對(duì)象）或聲功率（釋放出的全部能量——常與沖擊效果關(guān)系更大但測(cè)量起來(lái)更棘手）來(lái)表示。聲強(qiáng)是某一區(qū)域的聲功率的量。不幸的是，這些物理量中沒(méi)有哪個(gè)與聲音響度（有時(shí)又很累贅地稱(chēng)作“感知到的”響度）相等；更不幸的是，沒(méi)有合適的儀器可以來(lái)測(cè)量它。但令人欣慰的是，這些物理量間存在大約的關(guān)系。（音量粗略等同于響度，但除了在音響設(shè)備的控制板上別處不常用到。）
聲壓、聲功率和聲強(qiáng)可用不同的單位表示，但以分貝為最常用的單位，如圖3所示。
分貝的定義容后再說(shuō)，這里需謹(jǐn)記的是，分貝不是線性而是對(duì)數(shù)的度量單位。當(dāng)聲音變響時(shí)，意味著如下情況：
● 3分貝的增長(zhǎng)意味著聲強(qiáng)和聲功率增長(zhǎng)一倍；
● 6分貝的增長(zhǎng)意味著聲壓增長(zhǎng)一倍；
● 10分貝的增長(zhǎng)意味著響度（音量）增長(zhǎng)大約一倍。
而如果聲音測(cè)量設(shè)備顯示聲壓增長(zhǎng)20分貝，則表示：
● 聲壓（設(shè)備上顯示的伏特?cái)?shù)）增長(zhǎng)至十倍；
● 聲功率和聲強(qiáng)增長(zhǎng)至約一百倍；
● 響度（音量）增長(zhǎng)至約四倍。
（得出以上結(jié)果需要很多前提，主要的一條是，聲音變響但頻率不發(fā)生改變，并且向所有方向的傳播是均等的。）
最后再說(shuō)一下，聲壓上1分貝的變化幾乎不可能聽(tīng)出來(lái)。3分貝的變化剛好可被人耳感知（這表示作用于鼓膜上的聲音能量是原來(lái)的兩倍，并不是一個(gè)很大的數(shù)目）。5分貝的變化聽(tīng)起來(lái)則很明顯。而如上面所說(shuō)的，10分貝的增長(zhǎng)是原來(lái)的兩倍響，20分貝的增長(zhǎng)則是原來(lái)的四倍響。
