电声学的介绍与经验

Engineering Support Center 1 聲學簡介 Amos Fang 07/28/2003 Engineering Support Center 2 前言 “人”是一部很複雜的機器、 他有五大感官 口、眼、 鼻、耳，與皮膚分別主管五大感覺 味覺、視覺、嗅 覺、聽覺與觸覺， 分別經由交感神經送到大腦交錯 比對後再來觸動所有的互感神經，交互作用、 這五種 感覺都牽涉到外在的物理量及內在的生理感官與心理 感應，也就是要用物理，生理及心理三種能量交互關 聯才是整體的感受。 舉例來說，一道好菜必須講究色、香、味，甚至再加 上外在的環境氣氛如柔和的音樂，才能構成一道完美 的佳餚，缺一不可。也就是一道完美的佳餚，必須是 視覺、味覺、嗅覺與聽覺四種主要的交感神經的交互 感應才能構成一道覺頂的美味佳餚。 Engineering Support Center 3 聽覺基本架構 人的聽覺系統包括外耳、中耳、內耳、聽神經與中樞聽覺系 統，外耳負責收集聲波，中耳的聽小骨將耳膜的振動傳遞到 卵圓窗（oval window）連至內耳。內耳的構造相當複雜深奧 ，簡言之，不同頻率的聲波在充滿淋巴液的耳蝸中進行，引 起了基底膜（basilar membrane）不同位置的位移，卵圓窗附近 的基底膜對高頻敏感，而越往耳蝸頂部（apex）則對低頻敏感 ，這個位移被毛細胞(hair cells)感應並轉換成神經電波訊號傳 至腦部的中樞聽覺系統。聲音的感覺就是透過刺激基底膜上 的毛細胞經耳蝸神經傳導到大腦。這些毛細胞大約有三萬根 ，它們對不同頻率的刺激有不同程度 ，聲波在耳蝸中就像經 過傅立葉轉換一般，被分解為不同頻率的正弦波，而從聽神 經傳回大腦的訊息，大約就是聲波在那一瞬間的頻譜圖，不 管是音高、音色、音量的認知，都是根據這個訊息。 Engineering Support Center 4 人耳的聽覺範圍即音域，大約是由20Hz至20kHz。聽覺的響 度（Loudness）表示感受聲音的強度是根據頻率而變化的， 以phon為單位；即在1kHz時的聲音強度。正常聽覺的範圍為 0-120phons（約-5dB130dB）。超出人耳的可聽頻率範圍的 聲音，即使響度再大，人耳也不能聽到；此時響度即等於零 phon（threshold of hearing）。當響度達120phon時便是疼點 （threshold of pain）。這一組曲線稱為Robinson-Dadson equal-loudness contours是根據心理聲學研究人耳對純正弦音 調（sine tone）而推論出來並經試驗證實的，即使是年輕人， 能聽到18kHz左右已可算是金耳朵了。隨著年齡的增長，耳朵 對高頻的敏感度會下降。經常被噪音騷擾或聽慣了大聲的耳 筒機的音樂的人對高頻的敏感度也會下降。但是有研究顯示 我們可以感受到由頭骨傳導的200kHz的震動。 Engineering Support Center 5 人耳的聽覺特性 人耳的聽覺特性是指人對聲音信號在聽覺上產生的心 理反映。人耳的聽覺特征反映了人對聲音強度在不同 頻率時敏感的程度，人耳在小信號時對高端（6000Hz 以上）和低端（500Hz以下）頻率敏感度較差，而對 30004000Hz的頻率敏感度最強。而且聲音音量越小 ，這一特征就越明顯。人們把這一特征描繪成曲線即 為聲音的等響度曲線。在音響設備中常見有一等響度 開關，其功能就是在小音量時對高、低音進行適當地 提升或補償。 Engineering Support Center 6 基礎聲學 人耳對不同強度、不同頻率聲音的聽覺範圍稱為聲域。 在人耳的聲域範圍內，聲音聽覺心理的主觀感受主要有 響度、音高、音色等特徵和掩蔽效應、高頻定位等特性 。其中響度、音高、音色可以在主觀上用來描述具有振 幅、頻率和相位三個物理量的任何複雜的聲音，故又稱 為聲音“三要素”；而在多種音源場合，人耳掩蔽效應等 特性更重要，它是心理聲學的基礎。下面簡單介紹一下 以上問題。 Engineering Support Center 7 聲音特色 1響度 響度，又稱聲強或音量，它表示的是聲音能量的強弱程度 ，主要取決於聲波振幅的大小。聲音的響度一般用聲壓(達 因平方釐米)或聲強(瓦特平方釐米)來計量，聲壓的單 位為帕(Pa)，它與基準聲壓比值的對數值稱為聲壓級，單 位是分貝(dB)。對於響度的心理感受，一般用單位宋(Sone) 來度量，並定義lkHz、40dB的純音的響度為1宋。響度的 相對量稱為響度級，它表示的是某響度與基準響度比值的 對數值，單位為口方(phon)，即當人耳感到某聲音與1kHz 單一頻率的純音同樣響時，該聲音聲壓級的分貝數即為其 響度級。可見，無論在客觀和主觀上，這 兩個單位的概 念是完全不同的，除1kHz純音外，聲壓級的值一般不等於 響度級的值，使用中要注意。 Engineering Support Center 8 響度是聽覺的基礎。正常人聽覺的強度範圍為0dB 140dB(也有人認為是-5dB130dB)。固然，超出人 耳的可聽頻率範圍(即頻域)的聲音，即使響度再大， 人耳也聽不出來(即響度為零)。但在人耳的可聽頻域 內，若聲音弱到或強到一定程度，人耳同樣是聽不到 的。當聲音減弱到人耳剛剛可以聽見時，此時的聲音 強度稱為“ 聽閾() ” （threshold of hear） 。一般以 1kHz純音為準進行測量，人耳剛能聽到的聲壓為 0dB(通常大於03dB即有感受)、聲強為10-16W/cm2 時的響度級定為0口方。而當聲音增強到使人耳感到 疼痛時，這個閾值稱為“痛閾” （threshold of pain） 。仍以1kHz純音為準來進行測量，使 人耳感到疼 痛時的聲壓級約達到140dB左右。 Engineering Support Center 9 實驗表明，聞閾和痛閾是隨聲壓、頻率變化的。 聞閾和痛閾隨頻率變化的等響度曲線(弗萊徹芒 森曲線)之間的區域就是人耳的聽覺範圍。通常認 為，對於1kHz純音，0dB20dB為寧靜聲， 30dB-40dB為微弱聲，50dB70dB為正常聲， 80dB100dB為響音聲，110dB130dB為極響聲 。而對於1kHz以外的可聽聲，在同一級等響度曲 線上有無數個等效的聲壓頻率值，例如， 200Hz的30dB的聲音和1kHz的10dB的聲音在人 耳聽起來具有相同的響度，這就是所謂的“等響” 。小於0dB聞閾和大於140dB痛閾時為不可聽聲 ，即使是人耳最敏感頻率範圍的聲音，人耳也覺 察不到。 Engineering Support Center 10 人耳對不同頻率的聲音聞閾和痛閾不一樣，靈 敏度也不一樣。人耳的痛閾受頻率的影響不大 ，而聞閾隨頻率變化相當劇烈。人耳對3kHz 5kHz聲音最敏感，幅度很小的聲音信號都 能被人耳聽到，而在低頻區(如小於800Hz)和 高頻區(如大於5kHz)人耳對聲音的靈敏度要低 得多。響度級較小時，高、低頻聲音靈敏度降 低較明顯，而低頻段比高頻段靈敏度降低更加 劇烈，一般應特別重視加強低頻音量。通常 200Hz-3kHz語音聲壓級以60dB70dB為宜 ，頻率範圍較寬的音樂聲壓以80dB90dB最 佳。 Engineering Support Center 11 2音高 音高也稱音調，表示人耳對聲音調子高低的主觀 感受。客觀上音高大小主要取決於聲波基頻的高 低，頻率高則音調高，反之則低，單位用赫茲 (Hz)表示。主觀感覺的音高單位是“美”，通常定 義響度為40方的1kHz純音的音高為1000美。赫 茲與“美”同樣是表示音高的兩個不同概念而又有 聯繫的單位。 Engineering Support Center 12 人耳對響度的感覺有一個從聞閾到痛閾的範圍。人耳對 頻率的感覺同樣有一個從最低可聽頻率20Hz到最高可 聽頻率別20kHz的範圍。響度的測量是以1kHz純音為 基準，同樣，音高的測量是以40dB聲強的純音為基準 。實驗證明，音高與頻率之間的變化並非線性關係，除 了頻率之外，音高還與聲音的響度及波形有關。音高的 變化與兩個頻率相對變化的對數成正比。不管原來頻率 多少，只要兩個40dB的純音頻率都增加1個倍頻程(即1 倍)，人耳感受到的音高變化則相同。在音樂聲學中， 音高的連續變化稱為滑音，1個倍頻程相當於樂音提高 了一個八度音階。根據人耳對音高的實際感受，人的語 音頻率範圍可放寬到80Hz-12kHz，樂音較寬，效果音 則更寬。 Engineering Support Center 13 3音色 音色又稱音品，由聲音波形的諧波頻譜和包絡決定。聲音 波形的基頻所產生的聽得最清楚的音稱為基音，各次諧 波的微小振動所產生的聲音稱泛音。單一頻率的音稱為 純音，具有諧波的音稱為復音。每個基音都有固有的頻 率和不同響度的泛音，借此可以區別其他具有相同響度 和音調的聲音。聲音波形各次諧波的比例和隨時間的衰 減大小決定了各種聲源的音色特徵，其包絡是每個週期 波峰間的連線，包絡的陡緩影響聲音強度的瞬態特性。 聲音的音色色彩紛呈，變化萬千，高保真(Hi - Fi)音響的 目標就是要盡可能準確地傳輸、還原重建原始聲場的一 切特徵，使人們其實地感受到諸如聲源定位感、空間包 圍感、層次厚度感等各種臨場聽感的立體環繞聲效果。 Engineering Support Center 14 另外，表徵聲音的其他物理特性還有：音值，又稱音長， 是由振動持續時間的長短決定的。持續的時間長，音則長 ；反之則短。從以上主觀描述聲音的三個主要特徵看，人 耳的聽覺特性並非完全線性。聲音傳到人的耳內經處理後 ，除了基音外，還會產生各種諧音及它們的和音和差音， 並不是所有這些成分都能被感覺。人耳對聲音具有接收、 選擇、分析、判斷響度、音高和音品的功能，例如，人耳 對高頻聲音信號只能感受到對聲音定位有決定性影響的時 域波形的包絡(特別是變化快的包絡在內耳的延時)，而感 覺不出單個週期的波形和判斷不出頻率非常接近的高頻信 號的方向；以及對聲音幅度解析度低，對相位失真不敏感 等。這些涉及心理聲學和生理聲學方面的複雜問題。 Engineering Support Center 15 4. 掩蔽效應 一個較弱的聲音(被掩蔽音)的聽覺感受被另一個較強的 聲音(掩蔽音)影響的現象稱為人耳的“掩蔽效應”。被掩 蔽音單獨存在時的聽閾分貝值，或者說在安靜環境中能 被人耳聽到的純音的最小值稱為絕對聞閾。實驗表明， 3kHz5kHz絕對聞閾值最小，即人耳對它的微弱聲音 最敏感；而在低頻和高頻區絕對聞閾值要大得多。在 800Hz-1500Hz範圍內聞閾隨頻率變化最不顯著，即在 這個範圍內語言可儲度最高。在掩蔽情況下，提高被掩 蔽弱音的強度，使人耳能夠聽見時的聞閾稱為掩蔽聞閾 (或稱掩蔽門限)，被掩蔽弱音必須提高的分貝值稱為掩 蔽量(或稱閾移)。 Engineering Support Center 16 4-1 純音間的掩蔽 1. 對處於中等強度時的純音最有效的掩蔽是出現在它 的頻率附近。 2. 低頻的純音可以有效地掩蔽高頻的純音，而反過來 則作用很小。 Engineering Support Center 17 4-2. 噪音對純音的掩蔽噪音是由多種純音組成，具有無限寬的頻譜 若掩蔽聲為寬帶噪聲，被掩蔽聲為純音，則它產生的掩蔽門 限在低頻段一般高於噪聲功率譜密度17dB，且較平坦；超 過500Hz時大約每十倍頻程增大10dB。若掩蔽聲為窄帶噪聲 ，被掩蔽聲為純音，則情況較複雜。其中位於被掩蔽音附近 的由純音分量組成的窄帶噪聲即臨界頻帶的掩蔽作用最明顯 。所謂臨界頻帶是指當某個純音被以它為中心頻率，且具有 一定帶寬的連續噪聲所掩蔽時，如果該純音剛好能被聽到時 的功率等於這一頻帶內噪聲的功率，那麼這一帶寬稱為臨界 頻帶寬度。臨界頻帶的單位叫巴克(Bark)，1Bark一個臨界 頻帶寬度。頻率小於500Hz時，1Bark約等於freq100；頻率 大於500Hz時，1Bark約等於9+41og(freq1000)，即約為某個 純音中心頻率的20。 通常認為，20Hz-16kHz範圍內有24 個子臨界頻帶。而當某個純音位於掩蔽聲的臨界頻帶之外時 ，掩蔽效應仍然存在。 Engineering Support Center 18 4-3. 掩蔽類型 A. 頻域掩蔽 所謂頻域掩蔽是指掩蔽聲與被掩蔽聲同時作用時發生掩蔽 效應，又稱同時掩蔽。這時，掩蔽聲在掩蔽效應發生期間 一直起作用，是一種較強的掩蔽效應。通常，頻域中的一 個強音會掩蔽與之同時發聲的附近的弱音，弱音離強音越 近，一般越容易被掩蔽；反之，離強音較遠的弱音不容易 被掩蔽。例如，個1000Hz的音比另一個900Hz的音高18dB ，則900Hz的音將被1000Hz的音掩蔽。而若1000Hz的音比離 它較遠的另一個1800Hz的音高18dB，則這兩個音將同時被 人耳聽到。若要讓1800Hz的音聽不到，則1000Hz的音要比 1800Hz的音高45dB。一般來說，低頻的音容易掩蔽高頻的 音；在距離強音較遠處，絕對聞閾比該強音所引起的掩蔽 閾值高，這時，噪聲的掩蔽閾值應取絕對聞閾。 Engineering Support Center 19 B. 時域掩蔽 所謂時域掩蔽是指掩蔽效應發生在掩蔽聲與被掩蔽聲不 同時出現時，又稱異時掩蔽。異時掩蔽又分為導前掩蔽 和滯後掩蔽。若掩蔽聲音出現之前的一段時間內發生掩 蔽效應，則稱為導前掩蔽；否則稱為滯後掩蔽。產生時 域掩蔽的主要原因是人的大腦處理資訊需要花費一定的 時間，異時掩蔽也隨著時間的推移很快會衰減，是一種 弱掩蔽效應。一般情況下，導前掩蔽只有3ms20ms， 而滯後掩蔽卻可以持續50ms100ms。 Engineering Support Center 20 聲波物理特性 1.聲波三要素 : 頻率、振幅、波型 頻率波長愈長聲音愈低，反之波長愈短聲音愈高。 頻 率的計算是以每秒振 動次數計，單位為Hz。 振幅空氣壓縮: 聲波的振幅愈大則音量愈大， 反之振幅愈小則音量愈小，單位為dB 。 Engineering Support Center 21 波型音色: 每一種音源皆有其獨持的音色，這是波型不同 造成的，當音源受到 振動時會推動空氣，造成空氣擠壓 產生聲音（如下圖 )。其所產生的第一個聲音我們稱為” 基音”，我們所認定的音高便是基音的頻率所決定的，當 基音產生後它又會以其本身的頻率的倍數1/2,1/3,1/4,1/5 繼續振動，在音樂上來說就是以基音的8度,5度,4度,大 3度,小3度繼續振動發出聲音，我們稱這些基音以外的 聲音稱為泛音(OVERTONE)，諧音(HARMONICS)。當基 音混和了不同音量比例的泛音後便會產生不同的音色。 由於每一種音源泛音振動的振幅皆不相同，因此每一種 發聲體的音色也一定不一樣了。和聲學中的大和弦便 是泛音列中包含基音的前個音。 Engineering Support Center 22 Engineering Support Center 23 2. 聲音的速度：聲音的傳播速度是和它的介質密度、溫度有關 與聲音的頻率、音量無關。常溫下在15 時音速約340m/s 。 3. 等響度曲線 Engineering Support Center 24 4. 波速(Velocity)：波運動的速度 ，波速 = 波長 * 頻率 音速快慢要仰賴 介質在固體和液體中 密度(Density):通常密度越高音速越快 彈性(Elasticity):通常介質彈性越大音速越快 在氣體中 能量(Energy):介質中能量越高則音速越快 聲音在空氣中的速度直接受到氣溫影響 Vs = 331 m/s + 0.6 tC 所以室溫20C時音速是 Vs = 331 m/s + 0.6 * 20 = 343 m/s Engineering Support Center 25 分貝 力（FORCE）：使某物體改變速度的作用。單位：牛頓 Newton （N） 壓力(Pressure) ：Force/Area 就是單位面積所受的力。 Mks制 cgs制 N/m dynes/cm Lbs/in 功 (Work) ：施力作用一段距離 。單位:W = Fd = Joule（焦耳） 功率 (Power) ：單位時間內所作的功。 Watt(瓦特） = Nm / Sec = Joule / Sec Engineering Support Center 26 分貝 Threshold of Hearing：人類所能聽到最安靜的聲音。20 Pa。 Threshold of Pain：人類所能承受而同時聽覺不受傷害的最大 音量。20 Pa。 聽覺的動態範圍：從Threshold of Hearing到Threshold of Pain。 貝爾（BEL）：音量單位。由功率比值取對數而來。由於 需要精確 地測量音量大小所以又變化出較小單位。 分貝（deciBel)(dB)：是貝爾值的十分之一。 分貝是相當方便的數量化方式，因為 人類的聽覺和音量大小是呈對數型反應為了用分貝來計 算音量大小，我們需要參考值。 Engineering Support Center 27 聲音的動態範圍 聲音的動態範圍即聲音從最弱變到最強的範圍。聲音的動 態範圍還與頻率有關，動態範圍最大的頻率區間是1000 6000Hz。動態範圍的計量單位是分貝（dB）。在自然界 中，每種物體或樂器的發音都有其動態範圍，因此要最大 不失真地重放這些聲音就必須要求音響設備的動態範圍足 夠大。一般多媒體音箱的動態範圍最好能大於60dB，而 最大不失真音響的動態範圍則要求大於90dB。在物理量 方面，我們是採音壓的單位”達因/”，每增加10db則 表示音壓增加了10倍，也就是說60db是40db的100倍， 是20db的10000倍；同時音