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声学基础知识培训 徐向巍 目录 第一章 声学基础知识1 1声音信号的特性1 2信号频谱1 3声音的速度 波长 频率1 4声音的绕射和折射1 5自由声场的声音传播1 6声压级的叠加1 7线声源和面声源1 8声源的指向性和接受1 9室内声场的增长和衰减1 10混响时间1 11室内声场的分布1 12延时声波的合成1 13本地噪声 第二章 听觉生理学和生理学2 1听觉生理学2 2心理声学第三章 音质评价3 1声音的客观测量3 2音质的主观评价 声学基础知识 1 1声音是如何产生 振动的物体能使邻近的空气分子振动 这些分子又引起它们邻近的空气分子振动 从而产生声音 声音以声波的形式传递 这种传递过程叫声辐射 由于分子振动产生的声波的方向与波传递的方向相同 所以是一种纵波 声音必须在介质中传播 无论是固体 液体还是气体 都可以作为介质 声音的产生和传播 在空气中 声源的振动引起空气质点间压力的变化 密集 正压 稀疏 负压 交替变化传播开去 形成波动即声波 声学基础知识 1 2 声音信号的特性 语音和音乐都是由不规则的随机信号组成 有基频信号和各种谐波 泛音 组成 注意要声音的 完美还原 因此要注意声音的三大特性指标 一 平均频谱特性 频率响应特性 二 平均声压级三 声音的动态范围人声信号 语音 演唱 声压级和动态范围人声是一种典型的随机过程 它还与生理特点 情绪和语言内容等因素有关音乐信号 它的频带比较宽 基频频率为27 5 4136Hz 动态范围30 60dB 注 男低音基频82 294Hz女中音基频196 698Hz男中音基频110 392Hz女高音基频262 1047Hz男高音基频147 523Hz 语言和音乐声学特性表 声学基础知识 复杂信号波形的频谱 1 人声 乐器声和自然界中各种的声音都不是单一的纯音 它是由很多不同能量的谐波所组成 音色主要就是这些不同数量 不同强度 分布不同和相位不同的复合频率组成的产物 2 白噪声 白噪声特性是在频响特性范围内 每个频谱的能力相等 3 红噪声 每个倍频程的频谱能量相等 声音的速度 波长和频率 331 4 0 607T T 摄氏度 单位为 摄氏度为21 是为344m s波长 v fv 声音的速度 f 频率例如在21 空气中不同频率信号的波长不同10KHz信号波长v 344 10000 m 34 4mm20Hz信号 20Hz信号波长 344 20 m 17 2m20KHz信号 20KHz信号波长 344 20000 m 17 2mm 声音的绕射 折射 反射 波的传播 波阵面 声波从声源发出 在某一介质内按同一方向传播 在某一时间到达空间各点的包络面称为波阵面 球面波 点声源发出的波 声线与波阵面垂直 如人 乐器 平面波 波阵面为平面的波 声源互相平行 如线声源 多个点声源叠排 声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射 绕射的情况与声波的波长和障碍物 或孔 的尺寸有关 声波的绕射 当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时 声波将被反射 类似于光在镜子上的反射 声波的反射 反射的规则 1 入射线 反射线法线在同一侧 2 入射线和反射线分别在法线两侧 3 入射角等于反射角 Li L 声波的反射 室内声音反射的几种情况 当障碍物的尺寸与声波相当时 将不会形成定向反射 而以障碍物为一子波源 形成散射 散射 声波的透射与吸收 声波具有能量 简称声能 当声波碰到室内某一界面后 如天花 墙 一部分声能被反射 一部分被吸收 主要是转化成热能 一部分穿透到另一空间 透射系数 反射系数 吸声系数 不同材料 不同的构造对声音具有不同的性能 在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声 在音质设计中需要选择吸声材料 控制室内声场 平方反比定律 声压级差 10lg d1 d2 2 20lg d1 d2 d1 d2 均为离开声源的距离 单位为m 声音每增加一倍声音增加6dB 指向性指标DI 指向性指数DI是说明扬声器指向特性的一个重要参数 它表明一个有方向性的声源与一个无方向性的声源之间在同样的辐射距离上 方向性声源比无方向性声源增加的声压级大小 指向性因子Q 他是两个声强的比值 Q 10DI 10DI 10lgQ 混响时间 指声场达到稳定时 从停止发声开始至声压级衰减60dB所需的时间 Sabine RT60 0 16V SaEyring RT60 0 16V Sln 1 a V 房间容积m3S 房间表面积的总和 单位为m2a 房间表面的平均系声系数 混响时间 TR602s 500Hz 声音丰满 语言清晰度差 声音发嗡 有回声感 室内声场的结构 直达声 声源直接传播到听众的声音 主要作用声压级 提供声源的方向和提高声音的清晰度 早期反射声 经周围界面1 3次反射到达听众的声音 主要作用提高声音的清晰度和增强声音的空间感 混响声 比直达声晚到50ms以后的密集的多次反射声 主要作用提高声音的均匀度 音质丰满 但是因为他本身没有声音信息 因此会损失声音清晰度 过大会遮盖直达声 也不能过低 否则会使声音 干 而不丰满 回声 回声 超过50ms后就可以逐步的出现回声的感觉 当超过100ms后可以明显的听到回声 产生回声的出现的三个途径 混响声回声 混响时间过长 远距离反射声和多声源之间的直达声延时回声 混响半径 临界距离DC 临界距离DC直达声与混响声声能比D R直接影响系统的声音的清晰度 当D R时 声源轴线方向的直达声能D与混响声声能R相等的距离 成为临界距离Dc 混响半径 Dc 0 14 QRQ 扬声器的指向因子R 房间常数 系声材料和吸声结构 吸声材料的种类为 多孔吸声 防潮吸声和共振吸声三类 在建设设计中防止出现 声影区 声聚焦 颤动回声 共振等 保证房间的声场均匀 多孔吸声材料一般良好的中高频吸声特性 吸声机理不是因为表面粗糙 而是内外联通的微小空隙气泡 一般材质为 玻璃棉 矿棉 板制品 毡 棉 毛 麻等 系声材料和吸声结构 共振吸声结构 采用穿孔板吸声结构和穿孔薄板 薄膜吸声结构都可看作 利用共振吸收原理的吸声结构 fo c 2 p 0 8d DC 声速 344m s P 穿孔率 穿孔面积与总面积之比D 板厚 单位为cmd 穿孔直径 单位为cm 声音的干涉 有些频率上振幅相减 有些频率上振幅相加的现象通常称之为声波的干涉 必须具备三个必要的条件 1 两个声波是相干的 所谓的相干是指他们的频率相等2 两个声波之间存在着固定的时间差3 相遇的两个声波是宽频带信号声波干涉的结果造成频率影响特性出现 峰 和 谷 的波动 其形状像 梳子 因此又称为梳状滤波器效应 梳妆滤波器产生的问题 梳状滤波器产生的问题1 使系统的频响特性变得不平坦 系统音质发生变调2 增强的频率容易引起声反馈 降低了系统传声增益如何改正梳状滤波器频响特性 1 在一个建声条件活跃的房间中 梳状滤波器效应是无法避免的 为此 改进房间的建声设计是减少梳状滤波器影响的最根本的措施2 在分区式供声的多声源系统中 利用可调延时器 把格声源到达观众区的时间差尽量减到最小和尽量减小延时信号的振幅3 采用集中供声方法可减少声源之间的声干涉4 扬声器组或扬声器阵列中的高音扬声器尽量紧靠在一起 减小高频声波的形成差 传声增益是扩声系统达到最高可用增益时 临界增益减去6dB增益余量 在指定的各听众位置上测得的平均声压级与话筒处声压级的dB数差值 人耳的结构 外耳 中耳 内耳 骨传导 听觉生理学和心理声学 听觉生理学和心理声学 1 声压级 单位面积上接到的声压大小 它与频率无关 是一种客观测量的结果 人耳听觉的听闻阀值为20 10 6N m2 120dB 因此人耳听觉的最大动态范围为120dB 2 响度级 人耳的响度感觉不仅与声压级有关系 而且与频率有关 即相同声压级的声音在不同频率时的响度感觉不完全相同 因此为了符合实际听觉的需要 制定了一个新单位 响度级 响度级及的单位phon 方 与频率有关 只在1KHz时 响度级 方 与声压级 dB 等于 响度 响度定义 频率为1kHz 声压级为40dB的一个纯音所产生的响度为1宋 人耳对响度的感觉与响度级并非成正比 如响度及增加10方 响度感觉才增高了1倍 40方等于1宋 单位Sone 宋 N 20 1 LN 40 N 响度 单位宋 sone LN 响度级 单位为方 phon 响度曲线 声音的三要素 音调 音色 音量频率响应特性对音质的影响 1 低频150以下的频率范围 是音频的基础部分 决定声音的丰满度2 中低音150 500Hz 是声音的结构部门 决定声音的力度和低音的硬度3 中高音500 4000Hz 是声音信息和声音清晰度的主要来源部分 它还决定声音的明亮度4 高音4000 12000Hz 是影响声音音质的主要部分 是声音的细节所在 音调和音色 1 人耳对声波频率的感觉简称为音调 音调的单位为 美 Mel 音调与声波的频率有关系 2 音色是听觉上区别了两个具有同样响度和音调声音的主观感觉 音色是不同强度的载波结构以及频谱分布决定了不同的音色 它与谐波结构数量 强度 分布和相位关系有关 3 响度又称声强或音量 它表示的是声音能量的强弱程度 主要取决于声波振幅的大小 响度是听觉的基础 正常人听觉的强度范围为0dB 125dB 哈斯效应 两个声压级相同的声音不同时到达耳朵 先到达的声音可遮蔽后到达的声音 人耳对失真的感觉度 1 频响失真人耳对4000 10000Hz范围内的衰减感觉灵敏 对800 4000Hz范围的提升感觉灵敏 150 500Hz和6000 18000Hz范围内的5dB的峰或谷有50 的人能感觉到 10dB的峰谷大部分都能够感觉到 低频和中低频特性的峰和谷差6dB时丰满度会感到严重影响 2 谐波失真谐波分为奇次谐波和偶次谐波 谐波失真中奇次谐波失真的感知度比偶次谐波的感知度要明显的多 3 过载失真过载失真的感觉阀与音源的峰值因子有关 一般音乐节目的过载失真在5 以下时 即可察觉到 发硬 的感觉 过载失真超过10 时 声音开始 发破 了 4 瞬态互调失真含有不同频率成分的复杂信号输入到设备中放大时 由于设备的非线性失真 使不同频率的信号 尤其是瞬态高频信号产生互相调制的失真 人耳对失真的感觉度 设计原则DesignPrintpia 1 智能化2 人性化3 模块化4 数字化5 集成化 设计规划Designlayout 1 稳定性 可靠性2 先进性 易操作性3 可扩展性 易维护性 会议扩声设计原则 专业音响设备 我们在使用的音响器材可画出一个框图这是一个音响锁链 在实际生活中我们知道一条锁链再强也不会强过它最弱的一环 音响锁链也符合这一自然规律 作为一个音响操作员应该了解他掌握的锁链中每一个环节 即每一器材的弱点和它的应用范围与技术指标 否则 就会产生失真甚至破坏器材 音源 调音台 周边设备 功放 音箱 音响锁链 声音的完美还原 音质和稳定 发言距离和政府的特殊拍摄需要 采用高清晰语音 音质损失 总线连接 稳定性 话筒长度和摄像机的拍摄 会议需要稳定 安全心理距离 会议需要音质 单独的音色音量调节 会议需要还原 发言系统设计 液体 碳粒麦克风 线圈麦克风 电容 驻极体 无线射频话筒 红外无线话筒 2 4G 1 9G话筒 Thedevelopmentofthemicrophone Convenience Intelligence Network Digital Scalability Small 发言系统的发展 手拉手发言系统 自动混音器发言 手拉手系统 连接简单 扩展方便 具有主席优先发言 摄像跟踪 光环显示 采用成熟的知名品牌 自动混音系统 具有自动抑制啸叫 对音频的损失小 带宽大 音质还原好 可单独对话筒调解 扩展方便 具有主席优先发言 摄像跟踪 采用成熟的知名品牌和混音技术ANOM 没有什么形式的会议系统好不好 只有这个形式的会议系统是否符合这个会议室 手拉手系统VS自动混音器发言 界面话筒的优秀拾音效果 话筒类型 鹅颈话筒 手拉手话筒 纽扣话筒 界面话筒 指向特性 指向性是指在某一指定频率下 传声器在某个方向的灵敏度与最大灵敏度的比值 0 无线射频会议系统 工作频率 UHF600 900MHz 频道组数 6频道 调制方式 FM 振荡方式 石英控制 射频功率 10mW 一台出现故障不会影响整个系统 防止 窃听 十分方便会议室的流动 红外无线发言系统 安裝省时省力 节省线材 节省安装费用 自动管理 减少音响师及管理的费用 干扰 不能破坏装修 我要发言系统 红外发言系统 红外发言系统 红外无线话筒 2 4G无线会讨单元 2 4G无线会讨单元伊诺安 2 4G无线会讨单元拜亚动力 2 4G产品案例 采用双工无线传输技术 带有DSSS加密机制 1 9GRevolabs 独特性能 回声消除噪音抑制自动门控智能混音技术单只话筒调节电话会议室防电话干扰小巧玲珑 传统会议席系统 话筒 调音台 反馈抑制器 均衡器 延时器 压限器 激励器 功放 音箱 音源 传统的音响设备 机柜堆积如山 用户操作繁琐 用户操作繁琐 易出问题产生 牛奶效应 周边系列 压限器 激励器 分频器 数字音频处理器 反馈抑制器 均衡器 效果器 分讯器 混音器 前置放大器 时序电源 数字音频处理器 音频处理器压限器 均衡器 分频器调音台 智能混音器 扩展器 信号发生器 路由器反馈抑制器 背景音乐抑制器各种逻辑控制器件 还有多种控制接口 RS232 USB RS485 CVIN TTLOUT 网口 智能数字会议系统 音源 功放 扬声器 模拟设备的堆积 计算机和网络技术的充分使用 现在的会议系统 牛奶效应 系统智能先进 对比 音频系统audiosystem 会议音箱MSB系列 演艺音箱PS系列 布位方式一般可分为三种 集中式 分散式和混合式 声场不均匀 前场声音大 后场声音明显不足 音箱布位 声场均应 但无声像定位 在要求语言清晰度高的场合 采用小功率多点布置方法 增加直达声 确保语言的清晰度和可懂度 声音均匀 声像一致 建筑声学中要知道的声学扩声设计规范 指声场达到稳定时 从停止发声开始至声压级衰减60dB所