第一章　噪声的本质

声音与石头扔进水池中形成的波纹并无不同，都是从撞击点向外一圈一圈地扩散。每一个新产生的波纹对水的扰动都比之前更小，它的扩散速度保持不变，但高度不断降低，直到最后水池又平静如初。物理学家从水池观察到的现象则会与常人大不相同。首先，抛掷的动作转移了足够的能量给石头，使之能够在空中飞越；其次，当石头撞击水面时，它的速度减缓，一些能量得以释放，其中的一部分产生了水波，其余部分则产生了扑通声，并使水温微微上升。尽管一圈圈的水波是唯一可见的效果，但能量此时已传播到整个水池中，每一环波纹都是一个不断扩张的半球壳的边缘，水面起起伏伏之时，水温也有些许的升高。

一个短促、突然的声响（脉冲），比如拍手声，与石块扔进水中的原理相同。能量从拍击的手掌以一系列球形声波的形式向外传播，速度约是水波的百倍。声波经过的区域压力上升：每一个声波到达一段新的空间时，它所触及的气体分子在极短的时间里会挤得更近一些，声波过后它们又再次分开。拍手声越响亮并不意味着它的声波传播得越快，它仅仅是将把空气分子挤压得更厉害，迫使它们靠得更近，压力升得更高一些。

像水波一样，声波也会随着不断的扩张而减弱，在传播和衰减的过程中会使得房间的温度略微上升。上升的幅度极小，因为声波可以很少的能量传播非常远的距离，这也是声音无处不在的原因。

如果房间中有一只耳朵，那么声波首先抵达的是它的外缘部分——耳郭。过去一直认为耳郭具有类似助听筒一样放大声音的功能，但它的形状与柔软的质地使它不可能担负这样的重任。不过，假如没有耳郭，只有耳孔的话，我们的听觉就要差得多。在头皮这样平滑的表面上，一个简单陡然的开孔只会将大多数声音反射出去，而不是容纳它们进入。正是耳郭的褶皱在从头皮到耳道之间起到了逐渐过渡的作用，使声波几乎没有遇到什么阻碍就得以进入耳内。

顺利进入之后，声波沿外耳道下行，穿越阻挡小飞虫（大概还有俗话说的耳夹子虫）的绒毛和耳垢。两厘米后，声波抵达鼓膜。与其他任何种类的鼓一样，鼓膜是由稀薄材料构成的圆盘，绷得很紧，使得它可以像声波一样轻易地振动。

但现在还听不到任何声音。之后，归功于一系列神奇的结构，鼓膜的细微颤动得以加强。仿照一首老歌的歌词，鼓膜与一块听小骨相连，这块听小骨又与另一块听小骨相连，然后再与另一块听小骨相连，最后与一扇小窗连接，够神奇的。这些听小骨是人体中最小的骨头，分别被命名为锤骨、砧骨、镫骨，因为它们的形状看上去很像铁锤、铁砧和马镫（如果不知道铁砧是什么，不妨发挥一下你的想象力，参见图1）。

这些听小骨是从几百万年前爬行动物颚骨的一部分进化而来的，现在则起到杠杆的作用，它们的协作使得发生在鼓膜的微小振动在到达镫骨的窗口之后变得不那么小了。这种放大效应使得我们连鼓膜振幅小于一个原子直径那么微弱的声音都能听得到——它的压力只相当于标准大气压的十亿分之一，其能量若用来烧开水泡一小杯茶，则要花上一亿年的时间。如果我们还想听到比这更轻微的声音，那就将生活于无休止的噪声之中，因为我们将会听到空气分子无所不在的无规则运动。所以，我们的听觉真的不能再好了。

或者，至少对我们当中那些听觉完全没有受损的人来说，它已经足够好了，这些人差不多16岁以下，没有太频繁地听大声的MP3。而对其余的人来说，由于时间和噪声的作用，听觉系统都已切实地受到损伤——作为自然老化过程的一部分，耳内毛细胞死亡导致听觉丧失，特别是对高频声失去了感知能力。生活在噪声环境中也会造成听力损失，但是尚不清楚有多少人是由此引起的。我们知道的是，世界上现有1.2亿人因失聪而致残，而所有的成年人都听不到大约15千赫以上频率的声音。

未受损的听觉系统可以感知的声波频率范围很广，从20赫兹到20,000赫兹，超过九个八度。与之相比，我们能够感知的光波的频率范围就小得多，从最深的红色到最暗的紫色，仅为一个八度（换句话说，紫光的频率大约是深红的两倍）。

我们能够应付的声音能量的范围甚至比频率范围还要大，这不得不让人惊叹。某种意义上，我们能感知的最高能量的声音足以致命，但一般来讲是将上限值定在听觉体验成为疼痛的那个点上，所谓疼痛表现为耳内深处的一种令人不安的痒感。25米远外喷气发动机的轰鸣，或一米外风钻的响声可达到这一水平。

我们所能听的最轻与最响的声音之间的能量范围是很难形容的。如果把本书的厚度比作最轻的声音（这个比方也许有点怪），那么最响的声音所对应的书堆摞起来可以抵达月球。换一种说法，假如地面上一个声源发出500赫兹的声音，这个音量要听起来痛苦，必须靠近到几厘米范围内，但要完全无法听见它，则需直线上升到超过400公里的高度，此处假设空气密度保持不变。

为使听觉器官免受强声的伤害，一条与镫骨相连的肌肉自动将其从窗状小孔处拉离，另一条则拉紧鼓膜。肌肉在响声停止之后仍然会保持紧绷一段时间，这就是为什么噪声过后所有声响听起来都有些沉闷的原因。这种生理现象叫做听觉反射，它在声音抵达后30至40毫秒内产生，在200毫秒左右全面生效。这个反应速度非常令人遗憾，因为一个突如其来的响声此时已经将足够量的破坏性能量传递到内耳中。假如我们生活在一个突然响声更普遍的星球上，听觉反射有可能会比目前进化得更加敏捷。

声波抵达最后一块听小骨之前所发生的事情已经讲得很清楚了，之后的情况却有些不确定。与镫骨相连的卵圆窗（顾名思义是卵形的）是一个叫做耳蜗的器官的末端，耳蜗的形状和体积与一只小蜗牛差不多。它的结构像是一根充满液体的管子对折后盘卷起来。这根管子的两半部分相互接触的地方叫做基底膜，上面覆盖了微小的绒毛，声波正是在这个位置被接收的。

声波穿过卵圆窗从管子的一端进入，之后沿着管道快速前进，先是螺旋式卷入，通过对折区域后又螺旋式卷出。到达管道末梢时，声波与第二个小窗（这个是圆形的）相遇，后者向外凸出，吸收了声波能量以防止它从管道返回导致驻波和混乱。当声波冲击基底膜上的绒毛时，绒毛根部的细胞记录下这些运动，并将信号传送给大脑。不同波长的声波会撞击基底膜上不同位置的绒毛，绒毛摆动的程度也不同，大脑所接收到的神经冲动的类型使得声波形式得以解码。基底膜上离鼓膜较远的部分与频率较低的声波相对应。基底膜的一个重要属性是，如果两个相似频率的声音作用于同一区域，那么较响的那个会掩盖较轻的那个。如果两个声音作用于不同区域，即使它们在响度上非常不同，它们也会被分开听到。所以，在噪声环境中，只要噪声不处于言语频率，我们就依然能听清对方；否则，我们就必须抬高嗓门将声音调整到一个不同的频率范围上。

这只是我们听力系统的其中一个部分。即使没有耳道或者鼓膜，依靠骨传导我们仍然可以听见。声音通过耳后颞骨乳突部可以直接传导至耳蜗。

图2a显示了耳部的总体结构，图2b是一个简单的示意图。

要谈论噪声，音量显然是一个关键因素，但应测量什么，怎样测量，用什么单位来表示测量结果，都没有一个明显的答案。声音测量和声音单位的沿革是本书要讲述的故事之一，这里先做一个简要综述。

噪声与其他任何类型的声音一样都可以用声压（绝大多数声音测量仪器的测量对象）或声功率（释放出的全部能量——常与冲击效果关系更大但测量起来更棘手）来表示。声强是某一区域的声功率的量。不幸的是，这些物理量中没有哪个与声音响度（有时又很累赘地称作“感知到的”响度）相等；更不幸的是，没有合适的仪器可以来测量它。但令人欣慰的是，这些物理量间存在大约的关系。（音量粗略等同于响度，但除了在音响设备的控制板上别处不常用到。）

声压、声功率和声强可用不同的单位表示，但以分贝为最常用的单位，如图3所示。

分贝的定义容后再说，这里需谨记的是，分贝不是线性而是对数的度量单位。当声音变响时，意味着如下情况：

●　3分贝的增长意味着声强和声功率增长一倍；

●　6分贝的增长意味着声压增长一倍；

●　10分贝的增长意味着响度（音量）增长大约一倍。

而如果声音测量设备显示声压增长20分贝，则表示：

●　声压（设备上显示的伏特数）增长至十倍；

●　声功率和声强增长至约一百倍；

●　响度（音量）增长至约四倍。

（得出以上结果需要很多前提，主要的一条是，声音变响但频率不发生改变，并且向所有方向的传播是均等的。）

最后再说一下，声压上1分贝的变化几乎不可能听出来。3分贝的变化刚好可被人耳感知（这表示作用于鼓膜上的声音能量是原来的两倍，并不是一个很大的数目）。5分贝的变化听起来则很明显。而如上面所说的，10分贝的增长是原来的两倍响，20分贝的增长则是原来的四倍响。