电声讲义.doc

电声技术课程讲稿前言语言、音乐、音响是人类社会重要的文化要素。随着科学技术的不断发展，记录和传播这三种信息符号的电声技术与硬件系统不断完善，电声媒体以其独有的知识信息传播功能已成为一种重要的教育媒体。本课程通过了解与电声技术有关的声学基础知识，掌握主要电声器件、电声设备及电声系统的工作原理、结构、性能特点和使用方法，掌握一定的维护技能和电声测量的基本方法与实验技能，了解电声技术的发展动态。使学生初步具备编制电声教材及资料的能力，懂得利用电声媒体进行教学的方法。本课程采用理论与实践相结合的原则，采用传统的讲解法与多媒体教学相结合方法、课堂教学与自学相结合的原则。加强对学生学习方法的指导，培养学生的自学能力，采用以基础理论的讲授为主，自学为辅，讲授与讨论相结合的教学方法，通过课内习题课和课内、课外一定数量的辅导与练习，提高学生的对所学知识的运用能力，达到理解、掌握、巩固所学的理论知识；提高实验课的功效，加强学生动手能力的培养；教学中，坚持“保证基础，精选内容，加强概念，面向更新，联系实际，利于自学”的原则。各章节如下讲解：第一章声学基础，介绍声波的基本性质，声场媒质的基本参量及物理意义。第二章人耳听觉特性，重点讲解立体声的听觉机理。第三章电声器件，讲解扬声器、传声器的主要特性，扬声器系统及分频器的作用和类型，传声器的使用方法。第四章音频信号处理技术，着重讲解降噪的原理，调音台的基本功能和使用。第五章数字音频技术，讲解音频的录制，数字音频编辑，视频文件的配音制作，电脑音乐制作技术。第六章扩声系统，讲解扩声系统的声学指标，扩声系统设备及匹配，音频总功率，扬声器系统总功率与音频总功率的配接。第七章室内音质设计与评价，着重讲解室内声场的基本特征，室内混响时间的计算方法、不同音室对混响的要求，改善室内音质的建筑声学途径。第八章电声测量，讲解常用测量仪器及设备，电声测量基本内容及方法。第九章主要声学符号与名词术语，要求学生刚接触本门课程就进行自学，教师不利用课内时间讲解。第一章声学基础11声波与声场 111声音与声波声音是一种波动现象。从物理学角度看声源振动时对周围相邻媒质产生扰动，被扰动的媒质再扰动相邻的媒质，扰动的不断传递形成声波。振动可以使媒质有“起、伏”(疏、离)变化，这种交替变化的过程可用波形来描绘声音的波形即声波。自然界中大量不同类型的波可以分为两类：横波与纵波。横波：传播振动的媒质振动方向与传播方向垂直的波称横波。在声频技术领域中，唱片的声纹、弦乐器弦的振动和无线电波等都是横波。纵波：传播振动的媒质振动方向与传播方向平行的被称纵波。声波是媒质振动(空气媒质)疏密交替变化与它的传播方向一致的纵波。根据声波的波面，声波可以分为平面波与球面波。设一无限大平面的刚体在其平面法线方向做简谐振动。那么所激起的声波在该法线方向传播时，波阵面为平面的声波称为平面波(一维声波)。半径大小成脉动变化的球形声源向周围空间辐射的声波，其波阵面呈球面称为球面声波。电声原理与技术研究的主要是平面声波。1.1.2声场存在着声波的空间称为声场。声场中具有声场媒质正是由于具有了声场媒质，声源振动时才会引起周围媒质产生扰动，而扰动也才能通过声场媒质进行传递。电声原理与技术所涉及的声场媒质主要是空气媒质和一些固体媒质。声场中媒质的性质主要由媒质密度p、声音在媒质中产生的声压P和质点振速y三个物理量确定。振动前媒质所处的状态为静态三个物理量分别为0、R、o。以空气媒质为例，静态时-空气密度为0空气媒质中的“声压”为大气压，媒质质点处于静止。空气媒质一旦受到扰动(动态)，上述参量将发生变化，媒质的上述参量的变化，即形成传播的波。1扰动时(动态)媒质密度 空气媒质在声源振动时产生扰动，空气媒质处于“压缩一疏张一压缩一疏张的变化，变化中的空气密度与静止时的空气密度相比，压缩时大于静止时的密度，疏张时小于静止时的密度。2声压P 根据气体状态方程，当0肪时，PPo；当0时，PLA时，表示不声音主要集中在中频段；当LC = LBLA时，表示声音主要集中在高频段；当LC LBLA时，表示声音主要集中在低频段。对于航空器声，主要测量感觉噪声级，以D网络进行测量。频带和频带声压级1频带(频程)由于人耳可听频率范国从20 Hz到20kHz，实际上不可能测量这个范围中的每一个频率的声压级，测量总是在某一频率范围进行的。这个频率范围称为频带，由上限频率fh和下限频率fL确定带宽。fh和fL又称上限截止频率和下限截止频率。声学中常用的频带宽是倍频带，或称倍频程。一个倍频程频带是上限截止频率为下限截止频率两倍频带范围，即fh=2fL犹。对一个噪声频谱需要得到比倍频带更详细的资料，尚可用13倍频程。N倍频程的一般关系式为： fn=2nfL带宽为：fn-fL2倍频带声压级和13倍频带声压级在一个倍频程带宽中的声压级称为倍频带声压级，简称倍频带级。在13倍频程带宽中的声压级，简称13倍频带级。当需要比倍频带谱更详细的频谱资料时，可使用13倍频程分析噪声的频谱。声级叠加的规则： 以下是经常要进行声级的叠加计算： 计算许多声源的叠加总声级； 决定声源加上背景噪声的叠加声级； 计算几个倍频带级或几个13倍频带级的总声压级； 由给定的倍频带谱计算A计权声级； 叠加两个或更多声源的声功率级； 由倍频带声功率级计算A计权声功率级。所叠加的声级不能简单地认为只是各个声级的代数和。这是因为用分贝表示的声级并不是一个线性标度，而是一个对数标度。当几个不同声源同时发声时，在某处形成的总声强是各个声强的代数和。 第二章 人耳听觉特性2.1 人耳听觉与听觉特性人耳起着拾取声音的重要作用。了解人耳的构造，有助于理解听觉的各种效应与听觉特性。2.1.1 人耳与听觉人耳有双重感觉功能，既是听觉器官又是位置和平衡感觉器官。人耳分外耳、中耳和内耳三大部分。1.外耳外耳由耳廓(耳壳)和外耳道组成。外耳在听音过程中主要起到三种作用：一是耳廓可以将声音进行聚焦并传至中耳。当我们听远处的声音时，常常把手放在耳后，这样做就是起到了增加聚焦面积的作用，由此可以拾取到更多的信号，使声音听起来更清楚。二是利用耳廓对声源进行定位(将在后面的内容中讲到)。三是利用耳道对声波进行共鸣放大。外耳道是一直径为05 cm、长约为25 cm的一端以鼓膜封闭的圆管道，它的自然腔谐振频率为34 kHz左右。声音经外耳道传到鼓膜，由于外耳道的共鸣，以及人头对声音产生反射和衍射。人耳对15姐z的声音特别灵敏，对34 kHz的声音的感觉可提高10 dB。这是耳道的共振效应。2中耳中耳包括耳膜、鼓室(耳膜内侧的空腔部分，容积约为2 m1)和通入内耳的两个开口：卵形窗和圆形窗。耳膜的直径约为7瑚m，是向内倾斜的圆锥膜，有较大的刚性。鼓室内有三块小听骨：锉骨、砧骨和镫骨，它们做关节状连接，组成一个杠杆机构，把耳膜接收到的声波压力传到卵圆窗。由于杠杆原理，卵圆窗受到的力大于耳膜受到的压力，另外，卵圆窗的面积小于耳膜面积。正是由于上述两种结构力的作用，使耳膜接收到的声波压力在听小骨传导的过程中得到放大。中耳的另一作用是对外耳的空气与内耳的淋巴液起着阻抗匹配的作用。听小骨附有能对较强声起声反射作用的2块听肌，以保护内耳。声反射是指当声压超过85 dB时，2块听肌会迅速紧缩，让听小骨与鼓膜和卵圆窗脱离，从而起到保护内耳免受超强声波的冲击，但最多可以减少声压20 dB。并且反应速度只有3040 ms，完全起作用则需150 ms。因此对于突发性的超强声，声反射还是无能为力的。3.内耳内耳由半规管、耳蜗、前庭和连接耳蜗与大脑的神经束四部分组成。半规管和前庭为位置和平衡感受器，与人的听觉无关。耳蜗的外形很像蜗壳，它是由卷曲成275圈的螺旋形骨质小管组成的。长约为30 nHn，直径约为9 mm，高约为5 mm，耳蜗内部充满淋巴液。耳蜗沿长度方向由基底膜分为前庭阶和鼓阶两部分，这两个阶与顶端蜗孔处相通。基底膜在外端宽度约为0。16 mm，最里端的宽度约为052 mm，即由窄变宽。基底膜上分布有约3万根毛细胞，每根毛细胞都连有末梢神经。声音经镫骨传到卵形窗后，由淋巳液传到基底膜，使基底膜上与声音频率相应的部分产生弯曲振动。对应于每一种频率的声刺激，基底膜上有一最大共振区，高频声刺激靠近卵圆窗，低频声刺激靠近蜗顶，从而激发相应的毛细胞上的神经末梢产生听觉。目前，一般认为耳蜗中的毛细胞是完成机械能一电能的转换器。毛细胞顶端的表皮相当一个可变电阻，当耳蜗受到声音刺激时，毛细胞会发生弯曲，从而使耳蜗内淋巴液和毛细胞之间产生电位差。不同方向的弯曲产生不同的电位差，这种电位差产生的生物电流通过神经束传导至大脑，从而向大脑“通报声波的信息。内耳在听音过程中，除了上面所述的起到将声波信号转换成生物电信号，传导至大脑外。另一作用是对声波信号进行初级分析，即对声音的响度、音高、音色的分析。上述听音的过程是声波在空气中经外耳、中耳传到内耳的过程，称为空气传导。另一种传导方式是不通过外耳和中耳的途径，振波直接由头骨传到内耳的过程，称为骨传。2频率范围由于个体差异的原因，人耳对可闻声频率范围没有一个精确的范围，20 Hz20 kHz的范围也只是一个测量统计数。从图2-2中看出，闻阈曲线从5 kHz以上急剧上升，大约在20 kHz处和痛阈相交，低频时闻阈与痛阈在20 Hz处相交，形成一个闭合曲线。高于20 kHz的声音称为超声波，低于20 kHz的声音称为次声波，闭合曲线以外的声波不能被人耳所闻。3.音差分辨阈 人耳对最小音高差异的识别能力称为“音差分辨阈。美国心理学家西肖尔(CESeashore)在心理实验室里进行了研究。他以一个435 Hz(大约相当于钢琴小字一组a音)的纯音为基准音，取另一纯音为比较音，然后不断改变比较音的音高，使其与基准音构成一系列由小到大的音差供受试者听辨。西肖尔以80受试者刚刚能分辨的音差作为最小可辨音差，其结果为3 Hz(约12音分，一个半音为100音分)，其中听觉最敏锐者可分辨的最小音差为0.5Hz(约2音分)，最迟钝者不能分辨一个全音(200音分)的音高变化。 西肖尔在实验的基础上得出下列结论： 人耳的音差分辨能力与智力水平无关； 年龄因素对音差分辨能力影响不大； 人耳对音差最敏感的频域在1kHz左右； 人耳的音差分辨阈与遗传有关； 音差分辨与音的强弱有关。2.2人耳听感基本特征听觉是人们对声音的主观反应，用响度、音高和音色三个主要听感要素来描述。人的主观听感要素与声波的客观物理量：声压、频率和频谱成分之间既有密切的联系，又有一定的区别。研究人耳的主观听感与客观物理量之间的关系，不但对声音的主观评价很重要，而且有助于人们对各种电声设备的研制。2.2.1响度 响度是指人耳对声音强弱大小的主观感觉。响度主要决定于声压或声强的大小，在同样的声压而不同频率时，感觉的响度不同。与声音强度有关的主观感觉可以用响度或响度级来表示。1等响度曲线等响度曲线是在声压级与声音频率坐标系中，把声压级作为参变量，将频率不同、人耳听起来却有相同响度的声压级分别连接起来组成的一簇曲线。如图23所示为l等响度曲线，图中每条曲线代表不同频率的某一个等响度级，响度级的单位为phon(方)。根据等响度曲线，可得出以下有关响度的特性。 声压级相同的中频声音较响，15 kHz响度曲线位置较低，34 kHz的响度曲线处在最低位置，人耳对这一频段最为敏感，特别是低声压级时更为明显。 在高声压级时，等响度曲线较为平坦，说明各频率的听感等响度基本相同。例如，听音乐时，音量开大一些，会比音量小一些听到的高音和低音丰富，特别是低音更为明显。 在曲线簇的低频段，低响度(60方)以下曲线斜率较大。等响度曲线的间隔都较小，说明低频段声级的微小变化会导致响度的较大变化。等响度曲线在解决音响中的实际问题时具有一定的意义。如在重放音乐时，音量关小时，会感到音频带变窄，特别是低音损失更为严重。由等响度曲线可知，当高、中、低频率同时按比例减小时，除电路与电声器件的因素外，是由于人耳听觉特性的原因造成频带变窄，高、低音听感上变弱。例如，在播放40 dB的声音时，原有的低音分量可能听不到。因此，为了保持原有声音频响的真实性，有些电声设备中设置了等响度控制器电路，用等响度开关(10udness)控制，以保证在不同声压级下听音时，具有保持平直的频率响应听觉特性。响度控制器的特性曲线应该按照等响度曲线的特性来设计。又如，在用于测量声音响度的声级设计中，也是根据这一原则进行设计的，使声级计的示数反映出人耳的听感特点。为简化计权用的滤波网络，并有统一的国际标准，国际电工技术委员会(IEC)规定了A、B、C三种计权曲线。(有关计权网络的使用将在第8章中进行描述。) 2.2.2 音高(音调)音高是听觉系统对声音音调高低的一种主观感觉。音调的高低主要决定于频率。频率越高，音调就越高，给人以亮丽、明快、尖刻的感觉，频率低的音调给人以低沉、厚实、粗犷的感觉。 1人耳对声音频率的主观感觉音调的单位为美(mel)，它以1 kHz、40 dB的纯音作为标准，定为1000 mel。其他声音的音调用主观评价法来确定，如果为一美的n倍则为n1000 mel。音调与频率相对应，但不存在线性关系，特别是在闻阈的高频与低频两端，不一致性就更为明显。从图2-4(美与频率的关系图)中看出：频率坐标是用对数来刻度的，因为人耳对音高变化的感觉大体上呈对数关系，这一对数规律表明：当音频信号频率变化较大时，人耳对音高的变化感觉并非很大，而频率相对值的变化却能反映听感的音高变化。为了符合听感的高音特性，也便于表征和分析，所以频率坐标用对数来刻度。既然频率坐标已用对数来刻度，那么美与频率关系曲线就应当是一条直线，然而在高频与低频段出现了不一致性，说明美与频率关系的对数关系只是限定在一定音区范围内，一旦超过其对数关系就会发生偏离。其规律是：以中音区(钢琴小字组)、为中心，在低音区，客观量要比正常值(按理论十二平均律计算值)偏低才能与主观感觉量相符；而高音区，客观量要比正常值偏高才能与主观感觉量相符。在钢琴的调音上可以明显看出这种关系。图25(S曲线图)所示是对多架钢琴音高实测的结果。S曲线是调音师的听觉(也代表钢琴家和听众的听觉)与客观量之间存在的一种非线性关系(严格地讲，应存在非对数关系)，这和音调与频率曲线(美和频率的关系图)是相吻合的。人们还引进了倍频程的概念，若两个声信号频率的高频f2与低频f1之比用以2为底的对数表示，单位就是倍频程(oct)。2.音律我们平时所说的“音律”是指律制，即定律的制度、生律的方法。音频在乐音中反映音高、音阶的规律。世界上的音律有很多种，但目前多用12平均律(键盘乐器都用12平均律)。12平均律是指在1个倍频程音律中称为八度音(Octave)内，均分为12个宽度(频率比)完全一样的半音音程，即声音的倍频程分为12等分，每个相邻半音的频率比为，呃(约为1059463)。具有112的倍频程关系的音称为半音(一个半音分为100个音分)，二个半音组成一个全音(16倍频程)。如a1为440 Hz，耘。为ddOxl059463 Hz，依此类推，可以算出所有的音的频率。这一规律则将音调由低向高排列起来，称为半音阶。基本音阶则是由半音阶中的7个以C、D、E、F、G、A、B字母为音名的“音阶组成。它们对应的唱名为do re mi fa sol la si(简谱1、2、3、4、5、6、7)。如图2.6所示为音阶分布图。图中除E、F与B、C音之间为半音外，其余均为全音，它们之间的半音由黑键定出来，以升半音号“#或降半音“b”来记名，如拌#C、bD是同一个半音。12平均律最大好处在于能实现各种大小调的循环转换，即转调简单方便。3.合成音听觉的非线性人的听觉对纯音有非线性特性。同时演奏的不同乐音在听感中产生其他频率分量的音称为合成音，也称“差音。形成新的音乐形象，其音高和成分与合奏音有关。比如，同时奏响e、e大三度双音，你就会听到另一个比c音低八度的c音。它们之间是“差音”关系，即前面两个音的频率差就是“合成音”的频率。用2的频率减去c的频率，即39l.99 Hz一26163 Hz=13036 Hz，该频率的音恰好为小字组c音(c音的标准频率为13082 Hz)。合成音的成分是很复杂的，在此就不一一分析了，这些新的成分有的悦耳动听，称为协和音；有的则毛糙刺耳，称为不协和音。音乐学中的“和声学”指出：纯八度音(即一个倍频程，频率比为2：1)、纯一度音(即同度音，频率比为1：1)这些均属完全协和音程，纯五度音(频率比为3：2)、纯四度(频率比为4：3)为协和音程，其他音程属不完全协和或不协和音程。协和音的谐波成分越多，音色越丰满动听；不协和音则使音色浑浊破碎、刺耳难听。所以音乐创作必须了解听觉的这种非线性特性，遵循和声规律，这是听觉对创作和演奏人员的另一要求。4.响度对音高的影响音调的高低决定于频率，但人耳对音高的感觉还会受到声音响度的影响。早在1935年，美国科学家司蒂文斯(Stevens)通过实验指出：在不改变频率的情况下，只改变声音的强度，人们也会感到音高有所改变。比如，用100 Hz信号从40方响度级增加到100方响度级，音调下降10；改用500 Hz信号，用同样的方法，音调只下降25。其变化规律是：随着强度增加，低音会变得更低，高音会变得更高，中音区(12 kHz，相当于钢琴键盘上的b2山3)只有微小变化。人们称此为“司蒂文斯定律”。如图2-7所示为响度和音调变化的关系。2.2.3音色音色是指人在听觉上区别具有相同响度及相同音调的声音有不同听觉感觉的主观特性。音色是一种音的特色，两个音的响度、音调相同也能区别，这种特色是固有的。不同的人、物和乐器发出声音的音色都各不相同，就是同类所发出的声音也有不同的音色。用仪器对音色进行分析可以看出，音色主要是由声音的频谱结构决定的。在自然界中，声源发出的声音通常不是单一频率的正弦波形的纯音，而是由基频尼和许多以基频尼成整数倍的谐波组成的复杂波。声音的基频。名决定音高，而谐波成分则决定了该声音的音色。1.线状谱任何复杂的振动都可以分解成一系列谐振动的叠加，这在数学上就是对时间函数的傅里叶分析或傅里叶变换。当钢琴和编钟发出的a音高都为220 Hz时，我们也能分辨出这是两种不同乐器发出的声响，在声压级一频率坐标系中绘出它们的频谱图，如图28所示，从频谱图中可知：二者基音相同，它们的谐波成分的强弱和分布不尽相同。钢琴谐音的强弱基本呈递减趋势，而编钟却以第4个谐音为中心形成一个波峰。正是由于这些差异，致使钢琴与编钟在音色上区别开来，前者较为柔和、清晰，后者较为明亮、粗糙。声音谐波产生机理是这样的：物体的振动可分为整体与分单元振动。整体振动为基频fo，分单元振动一般为fo的整数倍，谐波乐音称为泛音。这些谐波赋予了各种物体发声的特有音色，谐波越多，音色越丰富。同样的乐器价值相差上千倍的原因就在于：同类物体发声的谐波成分的多少与振幅的比例有所不同，有着音色的差异。例如，弦乐的弦振动，除弦全长振动产生基音矗外，还做12、13、l4等分段振动，它们与基频同时振动产生一个复合音。图2-9表示基波与各项谐波叠加后的一种合成波形关系。语音中的韵母声也同乐音一样，频谱虽然千差万别，但它们都是由一些不连续的按倍频规律排列的线状谱组成，体现出各自的音色特征。除有线状谱的音外，还有一些声音的谐波不存在明显的倍频周期线状关系特征，如背景噪声、电路中存在的热噪音、气流声、语言中的清辅音(如汉语中的zh、ch、sh、c、s)，以及乐器中的钹、镲声等都是这一类非周期的声信号。 非周期声音的频谱具有连续谱的性质，它存在着连续频谱的分布状态。图2-10所示为具有线状谱的元音(汉语A音女声)与具有连续谱的辅音(汉语拼音S音)两例声信号的频谱及其波形，从中可见它们的一般规律。辅音总与元音结合而发声，在两音过渡的过程音中，频谱特性将发生突变。2.2.4可闻声的频域特征与对电声技术的要求具有线状谱与具有连续谱的声信号，都有各自的能量分布规律。掌握这些规律对人们设计和使用各种电声系统有很大的现实意义。2.2.4.1 共振峰对具有线状谱的信号进行分析可知：基频名的幅度总是较大的，谐波分量则随着频率的增加而衰减，但高次谐波并非一定比低次谐波分量小，在整个频谱范围中形成了谱线状态的起伏。把各个长短不一的谐波成分最大值点连接起来形成忽高忽低的包络，形如山岭的峰包称为共振峰(formant)。共振峰的高度、位置和数量是决定每种乐音特色的重要园素，就如色彩中的三基色原理一样，各色比例不同可以形成万紫千红的色彩。由此可借以作为制造电子乐器和分析乐音的依据，也是计算机自动识别语言的基础。2.2.4.2谱级分布一般电声系统研究的是语声和音乐两大类。通过对许多人声和各类乐器发出的音素而形成的电声素材进行统计平均，分别得到它们的谱级分布曲线。针对它们之间存在的差别，需分别进行分析研究。1语音语言可用不同的标准来分类，如清音和浊音、口音和鼻音、主音和辅音等。它们的频率都不相同，这里只对男女语音大量测试后得到的频谱分布进行研究。一般元音有6至7个共振峰，但区别不同元音只需2至3个共振峰，因此元音的频谱特性可以简单地用两个共振峰随时间的变化来区别它们。所有元音的第一共振峰频率都在1 kHz以下，女声不仅基频高，而且所发声音的各共振峰频率位置也要高20，若平移坐标，男声和女声的频谱包络特性可以吻合得很好。辅音能量分布为810 kHz，具有噪声的性质。辅音的延续时间很短，在频谱上呈现为一段连续分布的频谱。另外，从图211可以看出男声和女声相比，在200 Hz以下差异较大(在70 Hz时约差1 8 dB)，而在200 Hz以上就相当接近了。语声分布曲线还说明，人的讲话声主要分布在100 Hz5 kHz，特别是在200700 Hz更为集中。在通信中为了增加话路，把频带压缩到300 Hz34 kHz已足够把主要的语音信息包括在内了。低频下限频率变窄还有利于提高语言的清晰度。2.乐音乐音是指振动有规则的、听起来音的高低非常明显的音。音乐的频谱曲线分布比语音的频谱曲线宽。图212和图213列出了西洋音乐、轻音乐、民族音乐的频谱平均分布和放声系统的频率范围。西洋乐音中低频域较为平坦，在高频域以6dBoct平滑下降；轻音乐和民族音乐比西洋音乐的变化较大，曲线出现了一些突变，轻音乐在3姐z附近出现了许多峰值，这是轻音乐特有的明亮度的原因之一；民族音乐低频和高频下降较明显，故音域较窄。3频率域对电声技术的要求电声系统对声音重放的保真度要求越来越高。乐音是由基频和丰富的谐波组成的， 图2.13所列的是这些乐音的频率范围，但乐音还包含了大量的高次谐波频率，所以频率的上限是这个乐音上限基频的几倍(n为1，2，兀)，儿的大小取决于这个乐音的性质。如钢琴为88个音组成的音域，最低基频音为275 Hz，最高基频音为4186 Hz，而基频4186 Hz的，z倍高次谐波频率几乎覆盖整个可闻声范围。钢琴的基本频带是较宽的，所以基本频带与基频范围是不同的概念。贝司、大提琴的基频范围既低又窄，但泛音丰富，谐波次数高，所以基本频带也很宽。如果电声系统对声音信号进行处理时损失了某些频率成分，就产生了频率失真，也称为线性失真。为了不失真地录制、传输和重放各种声音，要求电声设备具有较宽的频响特性。基本频带宽度最好能满足人的闻域，即20 Hz20 kHz，不均匀度控制在1 dB以下。对设备的要求越高，成本越大，所以对于语音的频带要求可窄一些，150 Hz6 kHz的频带已能满足需要。女高音能唱到基频为10465 Hz的音高，如果其谐波为10次谐波已大于10kHz，故电声系统的频带也要求能达到80 Hz12 kHz，不均匀度控制在2 dB以下。现代音响设备己超过此标准。2.2.5 可闻声的时域特征与对电声技术的要求可闻声的时域特征也是声音信号的重要标志。时域特性是声音信号从起振、稳定到衰减三个阶段随时问而波动变化的情况。1起振阶段起振阶段是指激发发声体使之克服静止张力或阻尼而开始振动的时段。钢琴的起振比风琴快，前者约需10 ms，后者约需100 ms；铜管乐器起振时间约为40 ms。同一类物体发低音比发高音起振时间长。2稳态阶段实际的振动总是受到阻力作用而做阻尼振动，人耳能听到声音强度基本稳定的阶段为稳态阶段。弦乐器声乐能以持续力不断激发声源发声，故稳态阶段长，有的可达数十秒以上；而打击乐器以、断续力激发声源，则稳态阶段很短。同类物体发音，低频段比高频段的稳态长。3衰减阶段物体停止激发而做阻尼振动后，振幅开始减少直至停振的时段。不同类的物体衰减时间不相同，一般来说，高频音的衰减比低频音的衰减时间短。以上三个具有不同过渡特性的阶段构成了可闻声的时域特征，它与频率域特征共同构成了音色的主要因素，加上音高、音响强度等特性组成了声音的基本要素。人们利用这些要素进行人工模拟声合成，制造电子乐器，在计算机方面的运用也越来越广泛。4.时间域对电声技术的要求从可闻声的时间域特征可知：起振阶段、稳定阶段和衰减阶段的声音具有明显的瞬态特性。反之，稳态阶段长的声音具有明显持续的稳态特性。那么是不是一定要求所有的电声器件都要较高的稳态特性呢?有时稳态特性与瞬态特性相矛盾，如传声器稳态指标可以做到很高，却不适应声振动的激烈变化，音质反而会明显恶化，这是瞬态特性不佳的后果。要根据不同的用途，选用不同稳态、瞬态特性。所以，衡量电声设备和系统的优劣从稳态和瞬态两方面来检验。人耳对声音的响度感与持续时间有关。当声音持续时间在O2 s以下时，会感到响度下降，故电声设备对有明显瞬态特性的信号(如鼓声、爆竹声)不仅要有迅速响应的能力，还要有充裕的功率和电平储备。2.2.6非线性掩蔽效应当人耳同时听两个声音时，其中的甲声音在听觉上会被乙声音掩盖，这种现象称为掩蔽效应。如果再想听到甲的声音就必须提高甲声音的响度级，使甲声音的听阈提高，听阈提高的数值称为掩蔽量，以dB表示。在这里甲称为被掩蔽声，乙称为掩蔽声。入耳听觉的掩蔽效应是一个复杂的心理一生理过程。 电声技术中常用信噪比洲作为一项重要的指标。通过对纯音、复合音和噪音的掩蔽效应的研究和实验，得出以下一些结论。 (1)频率较近的纯音比较远的掩蔽量大，如小二度的音不好分辨。而频率十分接近时会产生差拍(频率几乎相等的声波的干涉现象)，这时掩蔽量反而下降。如钢琴调律中调同度音就是利用了这一原理。 (2)频率高的音容易被频率较低的音所掩蔽。如钢琴上弹一个小二度音程，人们往往听到的是较低的那个音。扬声器发出的50Hz交流声，演播室里抽风机和空调发出沉闷的低频声的掩蔽量较大，也是较难解决的问题。 (3)提高掩蔽声的声压级可展宽掩蔽的频率范围。如在协奏曲演出过程中，人们能清晰地听到独奏乐器的声音，它能掩蔽整个交响乐队较宽的音域范围。 (4)非同时掩蔽，掩蔽声越接近被掩蔽声时，掩蔽效应越大，并且后掩蔽(乙声音在甲声音之后出现)比前掩蔽效应更明显。例如，在讲课之前教室外就有噪声出现比在讲课中间才出现噪声的影响小。 (5)单耳听觉的掩蔽效应大于双耳听觉。考试听辨和声时，没有人会堵住一只耳朵来听，另外，双耳可以互相掩蔽。让一只耳朵聆听音乐，而另一只耳朵听同样音量的噪音，结果乐音被噪声掩蔽。这种现象称为“中枢掩蔽”。所以，在嘈杂的环境中打电话时，人们经常用手捂住那只没有话筒的耳朵。 (6)多个声音组合产生的掩蔽效应称为复音的掩蔽。改变复合音中掩蔽值的比例会产生不同的复合音的音色效果。如同一个和弦，不同的演奏方法演奏出的效果是不同的。 (7)噪声对纯音的掩蔽与纯音掩蔽相比更为明显。故在教室里很小的水笔落地声，讲小话声都会影响全班同学的听讲。反之，人们由于心理需求可以对噪声进行过滤(一种心理加工过程)，如“鸡尾酒会效应”。在纷乱的酒会中，人们能听到自己所关注的某人的声音和内容，而忽略了其他掩蔽声的存在，使人耳在嘈杂声中分辨信息的能力大大提高。2.2.7延时效应与双耳效应相同的几个声音在时间上先后到达人耳时，听觉对先后到达的声音的延时能做出分辨的特性称为延时效应，即哈斯效应。人们能够利用双耳判断声源的方位和空间分布位置，有感觉立体声声场的能力，称为双耳效应。2.3 立体声的听觉机理人们对来自自然空间的声音位置进行判断，是对声源的距离和方位进行判断，是一种空问真实的听感。如果把这种有真实听感的效果用电声系统模拟重放就是立体声系统。人耳的延时效应和双耳效应都是立体声的生理学基础。立体声系统由若干个传声器、传输通路和扬声器组成，它等效于把声源移到听众面前，使听众有声源在真实空间分布的现场感觉。立体声技术发展已有一百多年历史，由左右两个声道发展到现在数字技术的AC3杜比51声道、7.1声道系统等，更真实、更完美地还原声音的空间立体感，使听众有身临其境的感觉。2.3.1 听觉的定位机理人耳对声源在空间的方位判断，主要依赖于人耳的双耳效应。单耳利用“耳廓效应也有一定的空间位置判断能力，是对双耳效应的一个补充。人耳对方位角的最小判断角为3。2.3.1.1 双耳效应人的双耳位于头部两侧约有20 cm的距离，当声源不是在两耳正前方的中轴线时，到达左右耳的距离不一致，声源到达双耳就会造成声级差p、时间差t和相位差，这种差异被双耳感知后传给大脑进行分析加工，得出了声源的方位判断。1声级差当声源偏离两耳正前方的中轴线有一个角时，某一只耳朵就不能得到声源的直达声。声波在传播过程中遇有障碍物时(人的头部)，能绕过障碍物产生绕射现象。所以这只耳朵得到的声级必然低于能听到直达声的那一只。根据惠更斯原理：绕射声波的波长越长，绕射性能越好，当波长甚大于障碍物线度时，障碍物基本不起作用。图2.14给出了不同入射角时，两耳强度差和频率的关系。在频率低于350 Hz时，一两耳得到的声级差p基本无区别；当频率增加到350 Hz以上时，不同入射角的声级差都以振荡曲线形状上升。当=30时，最大声级差在56 kHz范围内达到一15 dB；当=60时，最大声级差在910 kHz范围内达到一25 dB。从图2.14中可以看出：入射角越大，声音频率越高，造成两耳的声级差ALp也就越大。这种现象称为掩蔽效应。当然两耳听到的声音音色也有所不同，音色的变化也是对声音方位角定向的一个因素。从以上分析看出：对于低频声和声源较远时的方位判断声级差的作用就不明显了。2.时间差由图2.15可计算出声源偏离左、右两耳LR中轴线而产生的时间差位，当声源A、B的距离大于1 m以上时，可认为声源是平行的，那么声源到达两耳的距离差为：dsin 式中，d为两耳距离，取d=20 cm。则 t=些L/c 式中，c为声速，取c=33 1 ms。 t =060sin，单位为ms当=-90时，造成时间差最大值为t =060 ms。利用时间差来判断声源方位与声源的频率无关，特别是对瞬态声的定位较为准确，是双耳定位的主要因素。 3相位差声波可看做正弦波，正弦波由于时间差在到达左右两耳上产生了相位差：相位差与声波的频率有关。对于高频波，时间差会产生很大的相位差，有可能超过360而产生“混乱相差”，无法判断方位。而产生相位差低于180。的低频波反而能判断出方位，这刚好弥补了声级差对低频定位的不足。但对声音方位的判断起主要作用的还是时间差。2.3.1.2耳廓效应人的耳廓是一个形状复杂的凹凸面。耳道入口不在耳廓中央，当声音到达人耳时，一部分声音直接进入耳道，另一部分声音由各个不规则的凹凸曲面产生了不同的反射进入耳道。这些反射波和直达波在不同频率的因素下产生了不同的时问差和相位差，在鼓膜处形成一种与声源方向位置有关的频谱特性，听觉神经据此判断声音的方位。对于4 kHz以上的声音，因为波长短，经耳廓不同曲面的反射波与直射波会出现叠加，即同相相加，反相相减的干涉现象。形成图中的离散频谱，耳廓对高频声波起梳状滤波作用。因为这种入射角不同而产生的离散频谱的不同，人耳能对这种原来已在大脑中存储过的信息进行比较、分析、加工，然后判断出方位。2.3.2立体声的特点现