第一章 噪聲的本質
聲音與石頭扔進水池中形成的波紋并無不同，都是從撞擊點向外一圈一圈地擴散。每一個新產生的波紋對水的擾動都比之前更小，它的擴散速度保持不變，但高度不斷降低，直到最后水池又平靜如初。物理學家從水池觀察到的現(xiàn)象則會與常人大不相同。首先，拋擲的動作轉移了足夠的能量給石頭，使之能夠在空中飛越；其次，當石頭撞擊水面時，它的速度減緩，一些能量得以釋放，其中的一部分產生了水波，其余部分則產生了撲通聲，并使水溫微微上升。盡管一圈圈的水波是唯一可見的效果，但能量此時已傳播到整個水池中，每一環(huán)波紋都是一個不斷擴張的半球殼的邊緣，水面起起伏伏之時，水溫也有些許的升高。
一個短促、突然的聲響（脈沖），比如拍手聲，與石塊扔進水中的原理相同。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。聲波經過的區(qū)域壓力上升：每一個聲波到達一段新的空間時，它所觸及的氣體分子在極短的時間里會擠得更近一些，聲波過后它們又再次分開。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，聲波也會隨著不斷的擴張而減弱，在傳播和衰減的過程中會使得房間的溫度略微上升。上升的幅度極小，因為聲波可以很少的能量傳播非常遠的距離，這也是聲音無處不在的原因。
如果房間中有一只耳朵，那么聲波首先抵達的是它的外緣部分——耳郭。過去一直認為耳郭具有類似助聽筒一樣放大聲音的功能，但它的形狀與柔軟的質地使它不可能擔負這樣的重任。不過，假如沒有耳郭，只有耳孔的話，我們的聽覺就要差得多。在頭皮這樣平滑的表面上，一個簡單陡然的開孔只會將大多數(shù)聲音反射出去，而不是容納它們進入。正是耳郭的褶皺在從頭皮到耳道之間起到了逐漸過渡的作用，使聲波幾乎沒有遇到什么阻礙就得以進入耳內。
順利進入之后，聲波沿外耳道下行，穿越阻擋小飛蟲（大概還有俗話說的耳夾子蟲）的絨毛和耳垢。兩厘米后，聲波抵達鼓膜。與其他任何種類的鼓一樣，鼓膜是由稀薄材料構成的圓盤，繃得很緊，使得它可以像聲波一樣輕易地振動。
但現(xiàn)在還聽不到任何聲音。之后，歸功于一系列神奇的結構，鼓膜的細微顫動得以加強。仿照一首老歌的歌詞，鼓膜與一塊聽小骨相連，這塊聽小骨又與另一塊聽小骨相連，然后再與另一塊聽小骨相連，最后與一扇小窗連接，夠神奇的。這些聽小骨是人體中最小的骨頭，分別被命名為錘骨、砧骨、鐙骨，因為它們的形狀看上去很像鐵錘、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，參見圖1）。
這些聽小骨是從幾百萬年前爬行動物顎骨的一部分進化而來的，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在到達鐙骨的窗口之后變得不那么小了。這種放大效應使得我們連鼓膜振幅小于一個原子直徑那么微弱的聲音都能聽得到——它的壓力只相當于標準大氣壓的十億分之一，其能量若用來燒開水泡一小杯茶，則要花上一億年的時間。如果我們還想聽到比這更輕微的聲音，那就將生活于無休止的噪聲之中，因為我們將會聽到空氣分子無所不在的無規(guī)則運動。所以，我們的聽覺真的不能再好了。
或者，至少對我們當中那些聽覺完全沒有受損的人來說，它已經足夠好了，這些人差不多16歲以下，沒有太頻繁地聽大聲的MP3。而對其余的人來說，由于時間和噪聲的作用，聽覺系統(tǒng)都已切實地受到損傷——作為自然老化過程的一部分，耳內毛細胞死亡導致聽覺喪失，特別是對高頻聲失去了感知能力。生活在噪聲環(huán)境中也會造成聽力損失，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不到大約15千赫以上頻率的聲音。
未受損的聽覺系統(tǒng)可以感知的聲波頻率范圍很廣，從20赫茲到20,000赫茲，超過九個八度。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，僅為一個八度（換句話說，紫光的頻率大約是深紅的兩倍）。
我們能夠應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，但一般來講是將上限值定在聽覺體驗成為疼痛的那個點上，所謂疼痛表現(xiàn)為耳內深處的一種令人不安的癢感。25米遠外噴氣發(fā)動機的轟鳴，或一米外風鉆的響聲可達到這一水平。
我們所能聽的最輕與最響的聲音之間的能量范圍是很難形容的。如果把本書的厚度比作最輕的聲音（這個比方也許有點怪），那么最響的聲音所對應的書堆摞起來可以抵達月球。換一種說法，假如地面上一個聲源發(fā)出500赫茲的聲音，這個音量要聽起來痛苦，必須靠近到幾厘米范圍內，但要完全無法聽見它，則需直線上升到超過400公里的高度，此處假設空氣密度保持不變。
為使聽覺器官免受強聲的傷害，一條與鐙骨相連的肌肉自動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保持緊繃一段時間，這就是為什么噪聲過后所有聲響聽起來都有些沉悶的原因。這種生理現(xiàn)象叫做聽覺反射，它在聲音抵達后30至40毫秒內產生，在200毫秒左右全面生效。這個反應速度非常令人遺憾，因為一個突如其來的響聲此時已經將足夠量的破壞性能量傳遞到內耳中。假如我們生活在一個突然響聲更普遍的星球上，聽覺反射有可能會比目前進化得更加敏捷。
聲波抵達最后一塊聽小骨之前所發(fā)生的事情已經講得很清楚了，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。它的結構像是一根充滿液體的管子對折后盤卷起來。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，聲波正是在這個位置被接收的。
聲波穿過卵圓窗從管子的一端進入，之后沿著管道快速前進，先是螺旋式卷入，通過對折區(qū)域后又螺旋式卷出。到達管道末梢時，聲波與第二個小窗（這個是圓形的）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致駐波和混亂。當聲波沖擊基底膜上的絨毛時，絨毛根部的細胞記錄下這些運動，并將信號傳送給大腦。不同波長的聲波會撞擊基底膜上不同位置的絨毛，絨毛擺動的程度也不同，大腦所接收到的神經沖動的類型使得聲波形式得以解碼?；啄ど想x鼓膜較遠的部分與頻率較低的聲波相對應?；啄さ囊粋€重要屬性是，如果兩個相似頻率的聲音作用于同一區(qū)域，那么較響的那個會掩蓋較輕的那個。如果兩個聲音作用于不同區(qū)域，即使它們在響度上非常不同，它們也會被分開聽到。所以，在噪聲環(huán)境中，只要噪聲不處于言語頻率，我們就依然能聽清對方；否則，我們就必須抬高嗓門將聲音調整到一個不同的頻率范圍上。
這只是我們聽力系統(tǒng)的其中一個部分。即使沒有耳道或者鼓膜，依靠骨傳導我們仍然可以聽見。聲音通過耳后顳骨乳突部可以直接傳導至耳蝸。
圖2a顯示了耳部的總體結構，圖2b是一個簡單的示意圖。
要談論噪聲，音量顯然是一個關鍵因素，但應測量什么，怎樣測量，用什么單位來表示測量結果，都沒有一個明顯的答案。聲音測量和聲音單位的沿革是本書要講述的故事之一，這里先做一個簡要綜述。
噪聲與其他任何類型的聲音一樣都可以用聲壓（絕大多數(shù)聲音測量儀器的測量對象）或聲功率（釋放出的全部能量——常與沖擊效果關系更大但測量起來更棘手）來表示。聲強是某一區(qū)域的聲功率的量。不幸的是，這些物理量中沒有哪個與聲音響度（有時又很累贅地稱作“感知到的”響度）相等；更不幸的是，沒有合適的儀器可以來測量它。但令人欣慰的是，這些物理量間存在大約的關系。（音量粗略等同于響度，但除了在音響設備的控制板上別處不常用到。）
聲壓、聲功率和聲強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，這里需謹記的是，分貝不是線性而是對數(shù)的度量單位。當聲音變響時，意味著如下情況：
● 3分貝的增長意味著聲強和聲功率增長一倍；
● 6分貝的增長意味著聲壓增長一倍；
● 10分貝的增長意味著響度（音量）增長大約一倍。
而如果聲音測量設備顯示聲壓增長20分貝，則表示：
● 聲壓（設備上顯示的伏特數(shù)）增長至十倍；
● 聲功率和聲強增長至約一百倍；
● 響度（音量）增長至約四倍。
（得出以上結果需要很多前提，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。）
最后再說一下，聲壓上1分貝的變化幾乎不可能聽出來。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的兩倍，并不是一個很大的數(shù)目）。5分貝的變化聽起來則很明顯。而如上面所說的，10分貝的增長是原來的兩倍響，20分貝的增長則是原來的四倍響。
