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声学知识培训(1),定制人员:胡小鹏 审核人员: 实施日期:,培训目的,通过本课程的学习，您将能够： 声音 人耳听觉特性 人耳的听觉范围 声音的要素 人耳的几种效应 适用对象：对音频媒体感兴趣的人,培训大纲,声音和声波、声压、声速、频率、周期、波长，声功率声强声级 听力范围 音高、响度、音色 掩蔽效应、双耳效应、主观音、鸡尾酒会效应、哈斯效应,声音和声波,声波与声音是两个有联系, 又有区别的概念。 声音是由物体振动产生的，振动发声的物体声源。 声音可以通过固体、液体、气体等媒质传播。 本质是能量的传播 在空气中，声源的振动会使周围的空气质点产生一定的疏密变化，并以一定的速度传播出去形成声波。（波动是振动在介质中的传播）,声音和声波,声音是声源振动引起的声波传播到听觉器官所产生的感受. 可见, 声音是由声源振动, 声波传播和听觉感受3个环节所形成的. 扬声器发声时, 会引起周围空气的振动而产生声波, 其传播方向与空气质点振动方向相同. 因而, 声波在空气中是一种纵波.,声强,声波平均能流密度的大小叫声强。 声传播时也伴随着能量的传播用单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量(声波的能量流密度)表示 声强是矢量，单位为W/m2（瓦/平方米）。,声强,声强的大小与声速、声波的频率的平方、振幅的平方成正比。 超声波的声强大是因为其频率很高，炸弹爆炸的声强大是因为振幅大。,声强,声音强度，以能量来计算称声强，以压力计算表示时称声压。声强（I）与声压（P）的关系为： I=（P2）/(v) 其中-介质密度，v-声速,声功率,声强对面积积分，则为单位时间内通过一定面积的声波能量，因具有功率的单位，又叫做声功率。 声功率通常还很小，一个人说话的声功率仅约10-5W，故一千万人同时说话，也只100W。人们发声所消耗的能量绝大部分均转化为其他形式例如热运动的能量，用于发声的仅约1% 。,声功率,声压,声压 （sound pressure） 原有大气压的基础上又产生了一个随声波变化的交变压强，此交变压强即为声压。声压常用字母 “p“ 表示，在国际单位制中，声压的衡量单位是帕斯卡（符号Pa）。,人耳刚好能听到的声压约为,声压,声压的大小表示声波的强弱. 大气静止时存在着一个压力, 称为大气压强, 简称气压. 当有声波存在时, 局部空间产生压缩或膨胀, 在压缩的地方压力增加, 在膨胀的地方, 压力减小, 于是就在原来的静态气压上附加了一个压力的起伏变化. 这个由声波引起的交变压强称为声压. 在一定时间内, 瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压. 用电子仪表测量得到的通常是有效声压, 人们习惯上讲的声压实际上也是有效声压.,声压,声压示意图: 1.无声 2.可闻音 3.大气压 4.瞬时声压,声压级,声压级（SPL sound pressure levels ） 人耳有一个的特点, 主观感受的响度并不是正比于声压的绝对值, 而是大体上正比于声压的对数值. 为此, 在声学中还用声压级来描述声波的强弱, 用符号SPL表示, 单位为dB(分贝). 声压级定义如下:,式中Pe为声压有效值, Pr为参考声压, 人耳能听到的最弱声音, 即参考声压级为0 dB. 人类的对于 1KHz 的声音的听阈（即产生听觉的最低声压）,声压级,声压级增加10分贝，人们感到响度约增加一倍. 一般情况下，音量达 100dB 时，时间较长可造成不可恢复性听力损伤；当音量高达110分贝时，足以使内耳毛细胞死亡，严重者会造成听力丧失。实际上，任何高于85分贝的声音都能造成听力损伤，每天8个小时90分贝，足以造成逐步和不可逆转的听力损伤,声压级,声压级,声速 频率 波长,声速:声波在一秒内传播的距离为声速，以C表示，单位是 m/s （米秒）；常温（15度）时，C=340 m/s 。空气中声速：c = 331.45 + 0.61t 取室温：340m/s 频率:声波在一秒内振动的次数为频率，以f 表示，单位是 Hz；1KHz=1000Hz 。周期性振动完成一次振动所需的时间为周期，以T表示，单位是s（秒）。频率和周期互为倒数 T=1/ f ； 波长:声波每振动一次所走过的距离为波长，以表示，单位是m（米）,声速 频率 波长,声速与媒质的密度, 弹性等因素有关, 而与声波的频率, 强度无关. 当温度改变时, 由于媒质特性的变化, 声速也会发生变化. 当温度为15 时, 声波在空气, 水和钢中的声速分别为340 m/s, 1 450 m/s和5 100 m/s. 当温度升高时, 声速略有增加.,频率和振幅,distance,Velocity c,Wavelength l,Period T,Pressure,Time,f (Hz),Wave number may be thought as spatial Frequency 波数也被称为空间频率,T is the period of propagating wave. f is the number of pressure variation per second. T=周期 f =频率，即单位时间内振动的次数 波矢量k 角频率,Sound wave in a tube,声波的两个基本特征量是频率和振幅,波长和频率,我们可以到，高频率的声音对应波长短，低频率的声音对应波长长。,频率,采样定理 采样频率的高低是根据奈奎斯特理论（香农采样定理）和声音信号本身的最高频率决定的。 fs = 2F F为声音信号本身的最高频率 采样频率高于信号带宽的一倍，那么，原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。 通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论。,人耳的听觉范围,人耳的听觉范围 人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声20Hz20KHz为可听声；低于20Hz为次声；高于20KHz为超声青年人1000Hz 、0dB-听阀；1000Hz 、120dB-痛阀。 以上是以1K纯音为准,人耳的听觉范围,其他频率可听声的听力阀和痛阀与1000Hz声音不同，低于1000Hz和高于4000Hz的听阀都高于0dB，即人耳对它们的灵敏度较差；听阀曲线最低的是30004000Hz的声音。,人耳的听觉范围,人耳的听觉范围,听觉心理要素,声音的听觉心理主观感受主要有：音高、响度、音色特性，又称为声音“三要素”。,音高,音高：音调也称音高调，表示人耳对声音调子高低的主观感受，客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹(Hz)表示。 音调的变化与频率的关系是对数关系，频率每高一倍(一个倍频程）、音调就高一个八度。音调的单位是“美”，通常定义响度为40方的1kHz纯音的音高为1000美，赫兹与“美”同样是表示音高的两个不同概念的单位。,音高,音高同样也依赖声音的振幅，尤其是声频偏低的时候。譬如低音符发出的音量越大，感受到的音高越低。和其他感官知觉一般，某些相似的音高亦会迷惑听觉系统，导致听觉错觉产生。,音高,频率每高一倍(一个倍频程）、音调就高一个八度。,响度,响度：是与声强相对应的声音大小的知觉量。声强是客观的物理量，响度是主观的心理量。响度不仅跟声强有关，还跟频率有关。 响度受声强制约，声强级提高，响度级一般也要提高。 响度不仅和声强有关，还和频率有关，声强级相同的纯音，频率不同，响度级也不相同。,响度,当声音减弱到人耳刚刚可以听见时，此时的声音强度称为“听阈”；当声音增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为“痛阈”，听阈和痛阈随声压和频率的变化而变化。听阈和痛阈随频率变化的曲线叫“等响度曲线” 响度的数量标度单位是宋（Sone）。响度为2宋的声音比1宋的声音响两倍，1宋的声音又比0.5宋的声音响两倍。1宋等于频率为1000Hz、声压级为40dB的纯音的响度。,响度,人耳的可听阀是一个类似“V”字形曲线，除中音外，对高音和低音都不够 敏感，要感到同样响度，高音和低音需要较大的声压级。例如，200Hz的30dB的声音和1kHz的10dB的声音在人耳听起来具有相同的响度，这就是所谓的“等响度”。,响度,响度,对于1kHz纯音，0dB-20dB为宁静声，30dB-40dB为微弱声，50dB-70dB为正常声，80dB-100dB为响音声，110dB-130dB为极响声。而对于1kHz以外的可听声，在同一级等响度曲线上有无数个等效的声压-频率值。,响度,当声压发生变化时, 人们听到的响度会有变化. 例如声压级在50 dB以上时, 人耳能分辨出的最小声压级差约为1 dB； 而声压级小于40 dB时, 要变化13 dB才能觉察出来.,音色,音色： 是声音的特色，根据不同的音色，即使在同一音高和同一声音强度的情况下，也能区分出是不同乐器或人声发出的。同样的音量和音配上不同的音色就好比同样色度和明度配上不同的色相的感觉一样。,音色,音色的不同取决于不同的泛音，每一种乐器、不同的人以及所有能发声的物体发出的声音，除了一个基音外，还有许多不同频率的泛音伴随，正是这些泛音决定了其不同的音色，使人能辨别出是不同的乐器甚至不同的人发出的声音。每一个人即使说话也有不同的音色，因此可以根据其声音辨别出是不同的人。,音色,根据傅立叶级数原理，周期函数都可展开为一组常数与有共同周期的正弦和余弦之和。常数为直流分量，最小正周期为基波或一次谐波，它的位数称之为高次谐波。 基频决定音高，谐波决定音色。,音色,声音的音色色彩纷呈，变化万千，高保真(Hi-Fi)音响的目标就是要尽可能准确地传输、还原重建原始声场的一切特征，使人们真实地感受到诸如声源定位感、空间包围感、层次厚度感等各种临场听感的立体环绕声效果。,音色,音值,又称时值。指音延续的时间长短，由发音体振动的时间长短决定。,波谱查看分析仪,人耳的几种效应,掩蔽效应 双耳效应 主观音 鸡尾酒会效应 哈斯效应,掩蔽效应,其它声（噪声）的存在，使得人们对目标声音的听力降低。其规律如下： 1、低频声易掩蔽高频声，而高频声不易掩蔽低频声。 2、掩蔽声的声压级越高，掩蔽能力越强，频带也越宽。 3、掩蔽声的频带越宽，对目标声掩蔽的频带越宽。 4、掩蔽声与目标声的频率越接近，掩蔽能力也越强。 5、频率相近的纯音容易掩蔽，但过于接近则会产生差拍，反而使掩蔽减弱。,掩蔽效应,静音门限和掩蔽门限（灰色区域中的声音听不到）,双耳效应,1、双耳可听到比单耳更小的声音，差值3dB；声压35dB以上时差值6dB。 2、双耳可正确的确定音源的方位，但随着声音的性质和周围的情况而改变。 时间差效应，声强差效应 相位差 音色差 人耳区分回声和原声的最短时间间隔是0.1秒。,主观音,当声音变强时，人耳会感觉到原来声音中所没有的频率声音，这是因为人耳中传输声音的机构有非线性而产生了失真，除了基音外，还会产生各种谐音及它们的和音和差音。声音越强谐波的次数越高。,鸡尾酒会效应,人们具有能从众多声音中选择出自己要听的声音的能力，如在鸡尾酒会的嘈杂环境中能听到特定的人的讲话，而从录音中其他人却很难听清。 在远处突然有人叫自己的名字时，我们会马上注意到。又比如，在周围交谈的语言都不是我们的母语时，我们可以注意到较远处以母语说出的话语。我们所注意的声源所发的音量，感觉上会是其他同音量的声源的三倍。,哈斯效应,如果延迟声的声压级小于先导声，无论延迟声的来向如何，只要延迟声迟于先导声17ms，就不会感到延迟声的存在。 当延迟声的方向接近先导声时，即使延迟30ms，也不会感到延迟声的存在。 当延迟时间达到2550ms，延迟声才会被感觉到，但与先导声之间仍不能被分开当延迟时间超过50ms时，才会感到延迟声的存在。,哈斯效应,在一般剧场扩声