声音和听觉.ppt

一 声音1 声音的发生和传播声速 频率 波长和相位2 纯音 复音和声谱3 声波的叠加和干涉二 听觉1 声音的 大 小 声压和声压级响度和频率计权声级2 音调和倍频程3 音色4 掩蔽效应5 哈斯效应三 厅堂声学特性简介1 声音的反射 折射和吸收2 混响混响时间混响半径3 传输频率特性4 本底噪声 声音和听觉 声音 1 声音的发生和传播 声音是由机械振动产生的但振动频率须在20 20000Hz之间才能形成可闻声声音须在媒质中才能传播 以声波的方式传播 声音 声速 频率 波长和相位 密度 压强 距离 m 波长 m 每秒钟振动的次数叫频率f Hz 每秒钟传播的距离叫声速v m s 空气中的声速约为v 340 m s 波长 频率 声速的关系为 v f m 可闻声的最长声波17m 20Hz时 可闻声的最短声波0 017m 20kHz时 相位 度 声音 2 纯音 复音和声谱 声音的频谱 由单一频率的振动形成的声音叫纯音 例如1000Hz的机械振动便会产生1000Hz的纯音 这个纯音可以用两种图形来描述 波形图 声谱图 由多个频率的复合振动形成的声音叫复音 例如一个以200Hz为基频的非正弦振动 这个复音实际上是由200Hz 400Hz 600Hz三个复合振动形成的 声音 3 声波的叠加 注意 两个频率相同的声音叠加 声音可能增强 也可能减弱 须由它们的相位差来决定 事实上 这里只考虑了最简单的情况 当两个相同的声音 从不同的方向 不同的扬声器 传来 在空间叠加 会出现十分复杂的干涉现象 声音 干涉 相位 有规 的声波叠加出现梳状效应 声音增强声音减弱声音增强声音减弱声音增强声音减弱声音增强 声音 避免干涉 分片覆盖 延时 接力 集中供声 S 延迟时间 S V S 340 声音 听觉 1 声压 声压 声音在媒质中引起的附加压强符号P 单位帕 Pa 或微巴 bar 1Pa 10 bar在其他条件相同的情况下 声压越大的声音 其功率 与声压的平方成比例 也越大 听起来也越响 仅可听闻的1kHz声音的声压约20 10 6Pa即百万分之二十帕震耳欲聋的声压约20Pa 仅可听闻的声压同震耳欲聋的声压相差约1百万倍 但人的听觉并不与此成比例 大概只觉得相差百余倍 所以直接用声压或声功率来描述声音的强弱 与感觉不符 听觉 声压级 实验证明 声功率增至2倍 感觉声音增加3分 声功率增至10倍 感觉声音增加10分 声功率增至100 1000 10000 倍 感觉声音增加20分 30分 40分 这种规律恰好同数学中的 对数 相符 lg2 0 3lg10 1 lg100 2 lg1000 32倍 3分10倍 10分100倍 20分1000倍 30分 因此引入 声压级 的概念 级 水平 L Level 符号SPL 单位为贝尔Bel 细分十份 称分贝dB 1B 10dBL 10lg P P0 2 20lg P P0 dBP0 闻域声压即20 10 6Pa 仅可听闻的声压级为L 20lg 20 10 6 P0 20lg 20 10 6 20 10 6 0dB震耳欲聋的声压级为L 20lg 20 P0 120dB 听觉 几种有代表性的声压级 声压级可以用 声级计 测量 单位是分贝 dB 0dB表示仅可听闻的声音 120dB会使耳朵发痛 安静环境的本底噪音约为50dB 面对面说话约60 70dB 电影对白约80dB 迪厅音响约110dB 喷汽式飞机起飞现场约140dB 听觉 我们对声音的 响度 感觉 不仅同声音的声压级有关 而且同声音的频率有关 首先 声压级在0dB以下的声音是 不响的 120dB以上的声音响得耳朵发痛 但是 低于20Hz和高于20kHz的 声音 无论声压级多高 也是 不响的 我们的耳朵对1 3kHz的声音最敏感而对低频声和高频声都比较迟钝 尤其是在声压级不大时 为了建立基准 规定1kHz 0dB声压级所形成的响度为0方 等响曲线描述了响度 声压级 频率之间的关系 为使一个声波的声压级接近人耳的响度感觉 须对声波中的各种分量 加权 或计权 处理 例如111 三个都是1 但它们的 权 不同 最高位的1表示100 最低位的1表示1个有两种常用的计权 A计权和C计权 A计权适用于测量声压级低 70dB以下 的信号 例如本底噪声 C计权适用于测量声压级较高的信号 80dB以上 当没有特别声明时 就是不计权 平直 线性 计权声级 听觉 声压级的工程计算 所有音响工程 包括PA 都要求声场应达到一定的声压级为此 必须正确配置扬声器 选用合适的扬声器 馈给适当的声频电功率 把扬声器 或扬声器群组 安装在合适的地方 听音点声压级 L 的计算公式 自由空间点声源 L S 10lgP 20lgr LM 20lgr式中S 扬声器灵敏度P 馈给扬声器的功率r 扬声器与听音点的距离LM 扬声器的最大声压级 听觉 听音点声压级L 距离S 扬声器最大声压级LM的关系 LM dB L S 2 音调和倍频程 基频决定音调 频率每升高一倍 称为1个 倍频程 oct 音阶升高8度 所以 声谱的频率轴刻度不是 线性 的 而是按 倍频程 划分的 再分细一点 可以是1 2oct 1 3oct 1 12oct等 比较常用的是1 3oct 其频点是 Hz 20 25 31 5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1k 1 25k 1 6k 2k 2 5k 3 15k 4k 5k 6 3k 8k 10k 12 5k 16k 20k 听觉 例如右侧所示的声谱图频率轴是按1个倍频程刻度 3 音色 声谱 的泛音结构决定音色 听觉 4 掩蔽效应 听觉 1 频域掩蔽一个强纯音会掩蔽在其频率附近同时发声的弱纯音 这种特性称为频域掩蔽 例如300Hz 60dB的声音 掩蔽了150Hz 40dB的声音 又如 1000Hz 60dB的纯音 掩蔽了另外一个1100Hz 42dB的纯音 一般来说 弱纯音的频率离强纯音越近就越容易被掩蔽 2 时域掩蔽在时间上相邻的声音之间也有掩蔽现象 并且称为时域掩蔽 在一个强音前大约5 20ms或后50 200ms的弱音会被掩蔽 3 掩蔽效应的利用压缩声音文件如MP3用增大信噪比 12dB 的办法提高扩声效果 如 抑制环境 本地噪声 加强直达声抑制混响声 5 哈斯 HAAS 效应 听觉 两个同样的声音先后到达听音者耳朵 听觉感受可能有3种情况 1 若一个声音比另一个先到3 30ms 会感到是一个延长了的声音 来自先到的那个声音的方向 迟到的声音好象不存在 即使迟到的声音高10dB 2 如果两个声音有30 50ms时差 听音者会感到存在两个声音 但方向仍由先到达的决定 3 若两个声音时差超过50ms 则能清楚地分辨两个不同方向的声音 所以两个音箱相距大于17m 340m s 50ms 前后摆设时 会感到声音重叠 哈斯效应的利用拉声像当集中供声时 主音箱 群组 通常设在舞台上方正中 但听众会觉得声音从空中来 为了把声像 拉 下来 可在舞台两侧加一对音箱 双声道 补声扩声服务区远处声音不足 可增加延时音箱 补声比直达声迟到3 30ms 即所谓 先入为主 效应 人耳总是根据首先到达的声波来定位声源所在 厅堂 1 声波的折射 反射和吸收 厅堂 2 混响和混响时间 混响现象 厅堂 混响时间 声级 时间 s 0dB 60dB 混响时间 0 直达声 延迟反射声束 RT60 厅堂 混响半径 直达声 在混响半径以内 直达声的能量 混响声的能量声音的清晰度是有保障的 厅堂 混响时间粗测 混响时间的粗略测量 一般工程常用的方法 舞台 窄带粉红噪声源125 250 500 1000 2000 4000Hz 实时分析仪 信噪比大于35dB 厅堂 3 传输频率特性 厅堂各点稳态声压级相对于扩声设备信号输入电平的幅频