电声学基础(PPT).ppt

电声学基础 主讲人 绪论 什么是声学 产生 传播 接收 效应 研究范围 人类对声学现象的研究 我国 11世纪 沈括西方 17世纪 索沃提出acoustique的名称 如今 acoustics代表声学 音质 人们观察声学现象 研究其规律 几乎是从史前时期开始的 近代声学 伽利略 1564 1642 开创1638年 有关两种科学的对话 林赛 R BruceLindsay 在 声学的故事 中提到科学家79人19世纪末 瑞利 声之理论 二卷 1000页 20世纪开始 赛宾 建筑声学1936年 莫尔斯 振动和声 一书 反映了声学基础理论的发展 古人的声学研究理论成果 关于声的知识和分类 音 即乐音 乐 噪 群呼烦扰也 响 响之应声 乐律在 管子 中首先出现 理论是 三分损益法 十二律是十二个标准音调 实际上基本的标准音调只有一个 即黄钟 史记 黄钟 管 长八寸一分 或提 长九寸 三分损益十二律 欧洲乐律起源 毕达哥拉斯 Pythagoras 公元前六世纪1584年 明代王子朱载堉完成 律学新说 详细提出十二平均律理论荷兰人斯蒂文 SimonStevin 共振 回声 混响 应 鼓宫宫动 鼓角角动 音律同矣 11世纪 沈括 共振指示器 波动论亚里士多德 Aristotle 公元前384 322年 高度 强度 品质空气运动的速度 被激动的空气量 发声器官的构造 频率伽利略 GalileoGalilei 单摆及弦的研究 声速法国的梅尔新 加桑地1687年 牛顿 自然哲学的数学原理 1816年 法国数学家拉普拉斯 电声学 20世纪20年代 电子管1920年 美国肯尼迪 A E Kennedy 把类比概念和方法引入电声系统和机械振动系统电声学这门科学主要是研究电能和声能彼此转变的问题 各种换能器的构造和理论 录音和放音的各种方法 都是属于 电声学 的范畴 电声学与其他声学部门的关系 电声学和建筑声学 生理声学 超声学 水声学都有很密切的关系 第一章振动和声波的特性 1 1振动与声波1 1 1振动什么是振动 P6振动的特性 1 1 2声波 几个基本概念 声波声源媒质声场声音声线 声波 物体的振动引起周围媒质质点由近及远的波动声源 发声的物体 即引起声波的物体媒质 传播声波的物质声场 声波传播时所涉及的空间声音 声源振动引起的声波传播到听觉器官所产生的感受声线 声波传播时所沿的方向 结论 声波的产生应具备两个基本条件 物体的振动 传播振动的媒质声波是一种机械波 媒质传播的只是能量气体中的声波是纵波 即疏密波 声波具有一般波动现象所共有的特征 反射 折射 衍射 干涉等 声波的反射 声波的全反射 声波的折射 波的衍射 惠更斯定律 干涉与拍频 当一列有明显波长和振幅的正弦声波由左向右传播时 遇到另一列具有同样波长和振幅 却由右向左传播的声波 此时在任何一点观察所产生的效果 都要依据在不同时间两列波叠加的情况而定 同相 inphase 相长干涉 constructiveinterference 倒相 outofphase 相消干涉 destructiveinterference 拍频 beating 多普勒效应 当声源和听者彼此相对运动时 会感到某一频率确定的声音的音调发生变化 这种现象称为多普勒效应 频率的变化量称为多普勒频移 声波的一些基本参数 波长波数 即沿着声波传播方向上单位长度内的相位变化 声速 声波在媒质中每秒内传播的距离称为声速 用C表示 单位为m s 空气中的声速等于 当温度为15 C时 声波在空气 水 钢 玻璃中的声速分别为340m s 1450m s 5100m s 6000m s速度随着媒质密度增大而增加 声音的传播速度与媒质的密度 弹性和温度 变化1度 变化0 6m s 有关 与声波的频率 强度和空气湿度无关 声速比光速慢得多 这对方位感的辨别起到了很重要的作用 必须把声速和振速严格区分开来 预习 声波的基本参量有哪些 各自的含义是什么 平面波和球面波有哪些区别 1 2声波的基本参量与波动方程 三个基本参量 媒质密度 媒质质点振动速度 声压 它们都是位置与时间的函数媒质密度 x y z t 在没有声波时 媒质密度称为静态密度 0 是指该处媒质密度的瞬时值 媒质质点振动速度v它是一个向量 反映微观质点振动 单位m s 声压PP P 瞬态 P0 静态 是标量 单位Pa 三个声波方程式 声振动作为一个宏观的物理现象 必然要满足三个基本的物理定律 即牛顿第二定律 质量守恒定律及上述压强 温度与体积等状态参数关系的状态方程 为了使问题简化 必须对媒质及声波过程做出一些假设 P21 运用这些基本定理就可以分别推导出媒质的 运动方程 牛顿第二定律的应用 即p与v之间的关系 状态 物态 方程 绝热压缩定律的应用 即p与 之间的关系 连续性方程 振动过程的统一性 即 与v之间的关系 1 2 1波动方程 由上述三个基本方程 可以导出声波传播方程 波动方程 推导 1 2 2平面波球面波波阻抗率 平面波什么是平面波 方程推导 由于波阵面是平面 波阵面面积不再随传播距离而变化 即S不再是r的函数 讨论这种声波归结为求解一维声波方程 方程式的解及分析 设方程式有下列形式的解 代入一维声波方程 得其中 对于讨论声波向无限空间传播的情况 取成复数的解将更为适宜 即 假设没有反射 则B 0 得 讨论 首先讨论任一瞬间时 位于任一位置处的波经过时间后位于何处 任一时刻t0时 具有相同相位的质点 0是一个平面 波 声 阻抗率Zs 媒质特性阻抗 球面波 什么是球面波 当声波的波阵面为球面时 该声波称为球面波 一个点声源发出的声波为典型的球面波 方程推导 柱面声波 什么是柱面声波 若声源为长圆柱形 其长度远大于波长 则辐射的声波为圆柱面声波 此时S 2 rl 其中l为圆柱长度 方程推导 平面波与球面波的区别 波阵面不同平面波的幅度不变 球面波的幅度随距离增大而减小 在距离很大时 球面波近似于平面波平面波声压与质点振速相位一致 而球面波不一致平面波Zs为一常数 球面波Zs为一复数 预习 比较在相同声压时 水中和空气中的声强度 1 3声波的特性 能量关系 1 3 1声压什么是声压 声波传播时 空气媒质各部分产生压缩与膨胀的周期性变化 这变化部分的压强与静态压强的差值称为声压 瞬时声压 峰值声压与有效值声压Pp 1 414Prms 1 3 2质点振动位移1 3 3质点振动速度 1 3 4声阻抗 声阻抗ZA声阻抗率ZS平面声波中的特性阻抗ZC 1 3 5声能量与声能密度 声能量 E 声能密度 定义 单位体积内存在的声能量 瞬时值 平均声能密度 对于平面波 对于球面波 1 3 6声功率与声强 平均声功率定义又称平均声能量流 是指单位时间内通过垂直于声传播方向的面积S的平均声能量 声波在单位时间内沿传播方向通过某一波阵面所传递的能量 因为声能量是以声速Co传播的 因此平均声能量流应等于声场中面积为S 高度为D的柱体内所包括的平均声能量 即平均声能量流 单位为瓦 1瓦 1牛顿 米 秒 声强I 定义通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流就称为平均声能量流密度或称为声强 即 自由平面波或球面波的情况下声波在传播方向上的声强为根据声强的定义 它还可用单位时间内 单位面积的声独向前进方向毗邻媒质所作的功来表示 因此它也可写成 对于平面波 对于球面波声强的单位是瓦 米2 例 一讲话者发出的声功率约为20 W 在离其1米的地方声强为多少 在离其2米的地方声强为多少 注意 切不可将声源的声功率与声源实际损耗的功率混淆 例 a 比较在相同声压时 水中和空气中的声强度 b 比较在相同频率和位移幅值时 水中和空气中的声强度 1 3 7声谱1 3 8工程计算用声学常数自学内容P15预习 可以从哪几方面来描述人的主观听觉 它们对应的客观量分别有哪些 1 4听觉心理 主观听觉与电声标准 人的主观听觉与客观实际是否一致 音质四要素 振幅 幅度 音强 响度 大小频率 音高 音调 高低频谱 相位 音色 品质波的时程特征 音品客观主观 1 4 1声压级与声强级 dB 为什么要采用声压级或声强级 声压和声强的量度问题 声音从最弱到最强用Pa表示麻烦人耳听觉增长规律的非线性 声压级 定义在空气中参考声压Pref 一般取为2 10 5帕 人耳听力范围 0dB 闻阈 120dB 痛阈 是否存在小于0dB的声音 声强级 定义空气中参考声强Iref 一般取10 12W m2声压级与声强级数值上近于相等 例 如果一个声波的强度为IA 另一个声音是IA的1000倍 则这两个声波强度差为多少 声功率级 意义与应用 电平控制器误差 级和分贝 分贝是级的单位 不能按照一般自然数相加的方法求和 当以分贝为单位的声学量进行相加时 必须从能量的角度考虑 按照对数运算的法则进行计算 问题 声压提高一倍 声强提高一倍 功率提高一倍 电平提高一倍 声源的叠加 功率W1 2 W1 W2 声压一般在多个声源声波相遇处的振动 是各个声波所引起的分振动形成的和振动 而其质点上的位移 则是各个声波在这点上所引起的分位移的矢量和 这就是声波叠加的原理 如果这两个声源为不相干声源 则 例 设两个声源的声功率分别是90分贝和80分贝 试求叠加后的总声功率 例 若在某一声场中有一组不相干声源 在这一声场某点测得声压级分别为80 90 98 100 95 90 82 75及60分贝 求该点的总声压级 1 4 2人对声音频率的感觉特点 音高与音阶 倍频程P40定义频程的单位 符号为oct 等于两个声音的频率比 或音调比 的以2为底数的对数 在音乐中常称八度 十二平均律 定义所谓十二平均律 是在一个倍频程的频率范围内 按频率的对数刻度分成十二个等份划分音阶的 这十二个音阶中 相邻的两个音称为半音关系 它们的频率比为 关键词21 12 相临键音高频率关系2n 每n个八度频率相差2n倍fA 440Hz fa1 分组 大字二组C2 B2大字一组C1 B1大字组C B小字组c b小字一组c1 b1小字二组c2 b2 例 fe1fB1fd1 人耳频率听觉范围 次声 20Hz 20kHz 超声 10个倍频程电声上认为 中频1k 3k 另一种观点 500Hz小于150Hz低音150Hz 500Hz中低音500Hz 5kHz中高音大于5kHz高音 极低频20 40 低音大提琴 低音巴松管 管风琴 钢琴 土巴号低频40 80 大鼓 法国号 巴松管 低音单簧管中低频80 160 定音鼓 男低音 上述乐器中频160 1280 所有乐器 人声 厚实与否中高频1280 2560 中提琴上限 长笛 单簧管 双簧管高端 短笛低端 三角铁 钹高频2560 5120 小提琴上限 钢琴 短笛高端 泛音极高频5120 20k 泛音 谐波 音色 为什么频率相同的乐器听起来音色不同 由于各乐器的谐波不同 谐音数目与强度分布不同 音色不同 谐频 音色 任何声音的实际音色 均取决于在基频之上出现的谐频 又叫谐音 谐音的频率总是基频的整数倍 这种音在主观上是和谐的 噪声通常是由许许多多频率与强度都不同的各种成分杂乱无章的组合而成 音色 成分音结构音品 时间结构 波的时程包络 从起始 稳定 衰减的特性 1 4 3听觉的基本特性 听觉的韦伯定律听觉的欧姆定律双耳听觉听觉疲劳听阈 闻阈 痛阈听觉住留听力谐音 1 4 4响度与响度级听觉的频率响应音调 对于两个声压级相同的声音 人耳听起来是否一样响 人对同样强度但是不同频率的声音主观感觉的强弱是不同的 对声强和频率变化的分辨力人类听觉频率响应 图 人类听觉频响的特点 声压级越高 人的听觉频响会越趋平直 而随着声音声压级的降低 人的听觉频响会相应变坏 其中低频尤甚对于高于18 20kHz和低于16 20Hz的简谐声音 不论声级多高 一般人都不会听到不论声压级高低 人们对3kHz 5kHz的频率分量最敏感 既然人耳对20 20kHz以外的声音是听不到的 为什么在高保真技术中规定的频率要远远大于这个范围 等响曲线 为了更全面地表示人类的听觉频响特性 P53 等响曲线图 图中每一条曲线上对应的各个频率的声音强度听起来是等响的响度级的概念 习惯上以曲线在1kHz时的声压级数定为响度级数 用 方 作为响度级的单位人耳对响度的听力范围 0 120 140 方 响度效应 loudnesseffect 与等响开关 响度控制器 LOUDNESS没有响度控制器的设备如何满足人耳的听觉 响度级与声压级 分贝数与方数仅在1000Hz的时候数值是相同的同样强的声音在不同频率时并不一样响 例 频率为1000Hz和60Hz的两个声音 声压级均为60dB 问响度级差多少 例 在上题中 欲使两个声音一样响 问60Hz的声音需要增强多少 响度与响度级 响度与响度级的关系问题 响度提高一倍 响度级提高多少 输出功率提高多少 计权 根据主观听觉对客观值的修正 即如果要用仪器测量声音的响度级 必须模仿上述人的听觉频响 为了简化测量设备 一般只选取三种计权特性来代表人的听觉频响 A计权 模仿声压级在0 30dB时的听觉频响B计权 30 60C计权 60 130D计权 表征飞机噪声在听觉上的反映线性计权 为了排除超声与次声信号而设置的 也称宽带计权 音调自学内容P54 1 4 5掩蔽效应 frequencymasking 定义 P55原因 纯音掩蔽时的听阈 当响度较大时 低频声会对高频声产生较显著的掩蔽作用高频声对低频声只产生很小的掩蔽作用掩蔽音和被掩蔽音的频率越接近 掩蔽作用越大 当它们频率相同时 一个音对另一个音的掩蔽作用最大 噪声掩蔽时的听阈自学内容P56 应用 电声设备中的不可避免的本底噪声究竟该多么低 取决于有用声音信号电平相对多高 即要根据有用声音信号的强度来规定允许的最大噪声强度 这就是电声技术标准中的 信号噪声比 指标的来源 鸡尾酒会效应 cocktailpartyeffect 定义原因 1 4 6方向听觉 双耳效应 哈斯效应 优先效应 延时效应 5 35ms 几乎不能察觉 后一个起丰满作用 补充 30 50ms 有一点儿察觉 但以第一个为主50ms以上 可分辨 可感到回声 德 波埃效应 声像的概念德 波埃效应与双耳效应的区别 劳氏效应 1 5常见声音信号的特点电声系统的基本要求 1 5 1声音信号的特点与电声系统的要求 主 客观的结合声音信号的时程特点 增长 稳定 衰减与电声设备的稳态与瞬态的要求声音信号的频谱特点与电声设备的频带要求声音信号的声色与电声设备的线性与非线性要求声音信号波形不对称的特点 1 5 2声音信号强度的测量 峰值 有效值 平均值 准峰值 准平均值 峰值因数 峰平比 常用音量表 自学内容 VU表 PPM表区别预习 直达声 反射声 混响声 2 1历史研究室内声学 roomacoustics 的现代研究华莱士 克莱蒙特 赛宾 WallaceClementSabine 自由声场与扩散声场 自由声场 无界空间的声场 声源向四周辐射而无任何界面或物体的反射 扩散声场 声能密度均匀在各个传播方向为无规律分布的声场 扩散声场的理想条件 声以声线方式以声速Co直线传播 声线所携带的声能向各方向的传递几率相同 即声场中任一点的声波应由各个方向上以相同强度传来的声波叠加而成声场中各个方向传播的声波的相位是任意的 各声线是互不相干的 声线在迭加时 它们的位相变化是无规的声场中各处声能密度相同 房间对室内声场的影响 P312 引起了反射改变了语言和音乐的瞬态特性增加了房间内声能密度改变了声能在室内的空间分布 房间的声学类型 P312 直接听音的房间使用电声耦合系统的房间使用扩声系统的房间 2 2室内声的组成 室内声构成直达声 DirectSound 反射声 Reflection 前期 近次 反射声 50ms以内 混响声Reverberation 混响声P62 人们对于语言与音乐的混响时间的要求是不一样的例如 一般小型的播音室 录音室 最佳混响时间要求在0 5秒或更短一些 主要供演讲用的礼堂或电影院等 最佳混响时间要求在1秒左右 主要供演奏音乐用的剧院和音乐厅一般要求在1 5秒左右为佳 人工混响 回声Echo 如果到达听者的直达声与第一次反射声之间 或者相继到达的两个反射声之间在时间上相差50毫秒以上 而反射声的强度又足够以使听者能明显分辨出两个声音的存在 那么这种延迟的反射声叫做回声 回声与混响是不同的概念 空间感 空间感与声场中方向分布的均匀性有关 室内声场扩散越充分 空间感程度越高 除了方向听觉外 人耳尚能对声源距离定位和对声源高度定位初始声能的作用 2 3闭室的混响声与混响时间 2 3 1闭室的简正频率驻波简正波固有频率P322驻波 进行波 progressivewave 干涉 当某一频率声波的1 2波长恰好与房间长度相等时 就形成了驻波 室内模式 roommode 轴向驻波 axial 切线驻波 tangential 间接驻波 oblique 简正波与固有频率 室内驻波是一种三维驻波 简正波 每一个简正方式都有其特有的对应频率 对应频率为简正频率 也称室内固有频率 简正频率及其分布情况对于确定的房间是确定的 因此可以作为表征房间特性的一个基本参量 但它们必须在声源的激发下才能表现出来 矩形硬墙面闭室的固有频率fnP322 固有频率的分布特点 频率在f以内的房间简正频率数N 房间的共振和共振频率 共振的产生结果 简并 声染色 简并 几个方向上的简正频率相重合的现象 例 有一间房间3 4 5 6m3 lz 2lx 用fn数低于100Hz以下房间简正频率数 染色P328 假如只有个别频率分量能激发出简正波 会使室内声音在这些个别频率分量上突出地加强和拖尾 导致听觉上的 染色 现象 如何避免过多的简并现象 P319 足够大的房间 与声波波长相比 避免低频共振 矩形闭室的长 宽 高不能成简单正比关系 最好取无理数房间应具有散射声波的扩散体吸声材料应分散在各个壁面上 分析室内情况主要分析3R声 Reflect 反射 Reverberation 混响 Resonance 共鸣 房间均衡器 EQUALIZER 弥补房间频率不均匀 2 3 2闭室的混响声扩散与混响时间 混响时间T60P316定义 混响声声能密度在声源停止发声后衰减60dB所需要的时间 赛宾公式 例 室内有20只木椅 每只木椅的吸声量为0 2米2 则20只木椅的吸声量为 艾润公式 赛宾 努特生公式 m 空气的声能衰减常数 1 m 室温20 C 相对湿度50 时的4m值 艾润 努特生公式 T60的意义 已知V S 可求T60已知V S 确定T60 可进行房间音质设计已知V S 测定T60可求材料的 当 1 T60 0 自由声场 消声室 当 0 T60 扩散声场 混响室 几个公式的关系 房间小 频率低 房间小 频率低 反之 反之 0 2 0 2 反之 反之 平均自由程P315 定义 平均自由程是声波相邻两次反射所经过的平均距离使用平均自由程推导T60 例 有一lx ly lz 6 7 5米3的混响室 室内除了有一扇4米2的木门外 其他壁面都由磨光水泥做成 己知磨光水泥的平均吸声系数在250赫时为0 01 在4000赫时为0 02 木门的平均吸声系数在此二频率分别为0 05与0 1 假定房间的温度为摄氏20度 相对湿度为50 试求该混响室在此二频率时的混响时间 2 4混响半径 室内稳态声场的分析 2 4 1稳态混响平均声能密度定义 与房间常数R 公式推导结论 2 4 2总稳态声压级 室内声场总平均声能密度 室内总稳态声压级SPL 混响半径rc 声能比ks 声源指向性的影响 Q的定义 声源的指向性因数P315 室内总稳态声压级SPL公式修正 例 有一10 7 4m3的矩形空间 已知室内的平均吸声系数 0 2 试求该房间的平均自由程d 房间常数R与混响时间T60 忽略空气吸收 2 5室内吸声处理与常用吸声材料和结构 2 5 1概念吸声系数 用以表征材料和结构吸声能力的基本参量P337某一种材料和结构对于不同频率的声波有不同的吸声系数 工程上通常采用125 250 500 1000 2000 4000Hz六个频率的吸声系数来表示某一种材料和结构的吸声频率特性 2 5 2吸声材料的类型 多孔材料结构组成吸声原理频响 薄 高频 厚 中 高频 空气层 中低频 穿孔板结构 结构组成 吸声原理 类似于LC谐振回路 频响 共振板结构 结构组成 吸声原理频响低频吸收 吸声量小 当声波频率与这一系统的固有频率相同而发生共振时 消耗大量能量 幕帘中高频吸声体 一般可以将帘幕看成是薄的多孔材料 如果将它贴墙悬挂时 主要吸收高频声 空间吸声体壁面吸声不够用时计算吸声系数常大于1 尖劈 全频响应 用于消声室 可变吸声体观众和座椅 2 5 3吸声材料的选用 按频率分 全频带100 5KHz多孔材料 空气层 穿孔板 厚度 中高频500 或1K 5KHz多孔材料 较厚 高频2KHz以上多孔材料 较薄 中频300 2KHz穿孔板低频300Hz以下共振板 五种基本方式和典型的吸声特性P338吸声材料与结构的选用原则满足声学环境的要求室内空气质量建筑节能装饰效果和美学要求吸声材料合理搭配 2 5 4房间结构设计 防止厅堂的音质缺陷厅堂的音质缺陷主要指回声 颤动回声 声聚焦 声影 声染色等声学现象 音质缺陷的出现主要与厅堂的体型有关 曲面反射与声聚焦 其中Z为圆心 r为曲率半径 Q为声源 q为声源到反射面的距离 F为接收点 b为反射面到接收点的距离r q b的关系为 r q bq r r 2 q rq r 2q r 2r 0 2 6噪声控制隔声 标准措施 2 6 1噪声控制的一般要求 厅堂内的噪声主要来自三个方面 一是建筑物内设备的噪声二是外界传入观众厅的噪声三是与本建筑物相关设施的其他噪声源 2 6 2室内噪声标准 安静的衡量标准 信噪比A计权NC 噪声评价曲线NR ISO提供 各类观众厅内噪声限值 2 6 3隔声措施的一般原则 外界噪声传入室内的两个途径 P340 空气声固体声 隔声原则 抑制噪声源正确选址隔声措施隔声 空气声高频隔振 固体声低频振动 2 6 4建筑构件的空气声隔声量 透声系数与隔声量 单层密实均匀结构的隔声 质量作用 定律 例 有一堵砖墙 厚度D 0 1m 2000kg m3 对于f 1000Hz的声波的隔声量是多少 双密实均匀结构的隔声 双层墙同样随f增加而TL增加避免声桥中间可悬挂吸声材料谐振点 2 7房间音质设计 2 7 1最佳混响时间不同大小 不同用途 不同节目 不同演出规模的厅堂的最佳混响时间是不同的 一般来讲 用于音乐的厅堂对混响时间的要求长一些 使人们听起来有丰满感 而用于语言的厅堂则要求短一些的混响时间 以保证足够的清晰度 播音室吸声处理设计实例 房间参数5 9 4 5 3 0mS 115 5m2V 79 65m3主要用途汉语播音 查得最佳混响时间曲线设计计算公式 努特森公式 500座电影院音质设计 厅堂音质设计的要求五大基本要求 即合适的响度 均匀的声场分布 合适的混响时间 较高的清晰度和丰满度以及无音质缺陷等 所研究电影院的参数厅堂的容积确定 厅堂的体型设计预计使用的吸声材料混响时间的估算 空场 满场 改造 第三章电 力 声类比 什么是类比 为什么要运用电力声类比 换能器 话筒 扬声器 3 1机械振动系统 3 1 1声从振动和波动理论来讨论 声 和 声源 声源的几种类型自由振动衰减振动受迫振动 3 1 2质点的振动 单振子 自由振动P8 衰减振动 受迫振动 3 2动力类比法 3 2 1电 力类比电路的基本概念 电源是电动势为电路运动方程为回路中电流为Ze 电 力类比 F E v I MM Le CM Ce RM Re正类比 阻抗型类比 F I v E MM Ce CM Le RM 1 Re反类比 导纳型类比 力学线路 元件 阻抗 MM LeCM CeRM ReF Ev I 导纳MM CeCM LeRM 1 ReF Iv E 力学系统用导纳型 力线速度的相对性在力点符合动力学平衡条件 例 设有如图所示的力学振动系统 质量Mm被一弹簧Cm系住 弹簧 端固定于刚性壁上 质量可以沿着刚性的地面运动 它与地面间的摩擦系数为Rm 如果质量Mm受简谐外力F的作用 试求解这个系统的运动 例 例 例 例 阻抗与导纳的互换P31 并联 串联电容 电感导纳 阻抗电流源 电压源 3 2 2电 声类比 赫姆霍兹共鸣器 系统分析 当管口受到声压为的声波作用时 短管中空气运动方程为 在声振动系统中 对讨论有意义的不是力F及线速度v 而是逾量压强p及单位时间内的体积流 即体积速度因此以上方程可以改写为 声学元件 MA 声质量RA 声阻CA 声容 声顺 类比 阻抗型MA Le RA Re CA Ce PA EA U I导纳型MA Ce RA 1 Re CA Le PA IA U E 声 电类比线路图 阻抗型 声流线压强的相对性在元件交界处有流量守恒定律 即在交界处满足 例 例 例 例 3 2 3力学与声学混合线路变量器 设有如图所示的一般的力学 声学综合系统 外加简谐力F1作用在面积为S 质量为MM的活塞上 使活塞振动 振动速度为v 变压器 与 力声变量器 3 2 4综合应用举例 扬声器P191f BlI 闭箱式扬声器 CA MMRMCM 倒箱式扬声器 压强式MIC 压差式MIC 耳机 拾振器 第四章电声换能器的原理和设计 4 1声的辐射讨论振动体是如何向弹性媒质辐射声波的 振动体与弹性媒质如何交换能量辐射的声能在弹性媒质中如何分布 4 1 1辐射阻抗 表示振动体与弹性媒质间能量交换关系的最简便的方式 是将弹性媒质看成是振动体的一个 负载 辐射力阻抗 辐射声阻抗 无限大障板上的圆活塞振动体的辐射力阻抗 圆活塞单面辐射力阻抗 辐射力阻辐射力抗 辐射力阻 辐射力抗 MMR1 活塞的单面辐射质量 意味着媒质对振动体附加了一个与之一起振动的质量 称为 同振质量 表示媒质的储能性质 以惯性形式储能 其他形式的简单辐射器的辐射力阻抗 ka 很大时 RMR1 0C0S XMR1 0 ka 很小时 对比 有限尺寸障板活塞辐射力阻抗 4 1 2辐射指向特性 指向性概念 指向性又称方向特性 是指声源向各个方向上辐射声能的分配特性 一般选取某个特定方向作为参考方向 0 以声源向这个参考方向上的某点辐射的声压作参考量 其他方向上同样距离处产生的声压与参考量之比 即表示了声源的辐射指向特性 称为 指向性系数 指向性系数指向性因数指向性指数 前提条件 规定在远场测量声压 因为近区测量到的声压数值还包含了储能所造成的压强变化 它不能代表声源辐射出去的声能媒质是均匀的 无限大的 声场是自由的 无限大障板活塞辐射体 指向性图案 无限大障板圆活塞当 ka 较小 全指向当 ka 较大 变得尖锐 出现线性畸变 脉动球体 全指向性 与 ka 无关无障板圆活塞 双指向性 90 上 DS 0 单面圆活塞 正面大 反面小当 ka 较小 全指向当 ka 较大 单向性 4 2电动扬声器 电动扬声器的声波辐射器有几种形式 锥盆式 最常见球顶形 辐射中 高频声音带式扬声器 直射式扬声器P100号筒式扬声器 4 2 1直射式电动扬声器的电 力 声总系统图 基本结构 振动系统磁路系统辅助系统 以装在无限大障板上的锥盆式扬声器为例定量分析原理 音圈受到的的电动理瞬时值f Bli电 力Bl恒定 f i 不产生畸变音圈振幅较大 Bl变化 电 力变换产生非线性畸变如不考虑电 力换能非线性 直射式总系统图P105 几点说明P104 该系统力谐振频率 4 2 2直射式电动扬声器的输入阻抗 扬声器输入阻抗输入电阻抗ZE 将ZE取模值 得频率特性 f0 fn 当f 0 ZE RE 即音圈的直流电阻当ffn后 串联谐振系统呈感抗 模值随频率升高呈正比增加 电动扬声器电阻抗及频率特性测量方法 恒流法电桥法品质因数QM扬声器在f0附近得电阻抗模值会随安装环境的不同而发生变化 在fn附近稳定多了 扬声器总品质因数Q0指向性因数Qs 短路环的作用扬声器的标称电阻抗 额定电阻抗 ZE 4 2 3直射式电动扬声器的电 声转换效率 音圈设计 电声转换效率是输入视在电功率与辐射有效声功率的比例P113 以装在无限大障板上的扬声器为例 说明扬声器效率的特点f0 fR1 转折点转折频率 辐射力阻 电阻抗 YM2 效率 频响 无障板扬声器电 声效率 转折点 ka 2转折频率fR1 C0 a 有限尺寸障板扬声器电 声效率 扬声器换能效率的频带 频带下限为f0 频带上限取决于fR1或fR2扩展频带下限 需降低f0 增加轭环的顺性 但是QM也降低了扩展频带上限 需提高fR1或fR2 即减小扬声器的等效辐射口径 a 要求频带宽的场合 可使用几只不同频带的扬声器组 且小容级的封闭箱可以提高f0小容积的封闭箱可以提高f0 因此高频扬声器做成背后封闭式的 提高效率 扬声器口径确定后 RMR1 RMR2 已定 B 其他条件相同 口径大的扬声器效率高标称功率只表征扬声器可承受的电功率限度 不表示电 声转换效率在扬声器振动体与空气媒质间加入 力阻抗变换器 RMR 4 2 4直射式电动扬声器的声压特性 频响曲线 扬声器的声压特性 声压灵敏度声压灵敏度的指向性 声压灵敏度的定义 测量声压灵敏度的常用信号简谐信号粉红噪声信号 直射式电动扬声器频响的典型曲线P111 低频声压特性 扬声器总系统的品质因数Q0 由于放大器 音圈参与了系统的阻尼 QM Q0 装在无限大障板上的扬声器的低频声压灵敏度 参考灵敏度E0 扬声器低频声压灵敏度频响 保证Q0值的条件 0 5 1 扬声器方面 严格控制各力学元件参数 保证足够强的B值声频功放 使内阻Z0尽量低 0 扬声器串并接问题 闭箱系统应尽量采用并接形式后开启箱体采用串接有利 补偿低频不足 放声系统低频特性设计 Q0 选用QM适当的扬声器注意连接电路的阻抗关系 中 高频声压特性 随着频率的增高 声压特性的变化中高频声压特性的特点 以第一阶共振来说明其特点 f fH 锥盆辐射体的外边缘发生谐振 整个辐射体在fH处的辐射有所增加 声压灵敏度频响曲线上产生一个升峰f f H 锥盆辐射体发生逆共振 产生凹谷 f H大约处在整个辐射频带的中部 称之为中频谷点f 锥盆辐射体进入复杂的高阶简正振动状态 出现许多峰谷由此看出 欲使扬声器的中高频声压频响曲线平缓一些 必须设法抑制辐射体的简正振动 采取合理的辐射体形状 锥盆形 球顶形 加入阻尼材料 扬声器声压灵敏度上限截止频率fc 低通滤波器的高频截止频率 指向特性 类似活塞 几点注意可能遇到的问题 四个特殊频率 扬声器的工作频带下限频率 力学系统的力谐振频率 f0 或f0 x 扬声器声压频响平坦区与峰谷区的分界频率 锥盆发生第一阶简正振动频率 fH 当ffD 出现明显指向性高频截止频率fc 当f fc 扬声器单元轴向声压灵敏度急剧下降 4 2 5号筒式电动扬声器 什么是号筒式扬声器 P117号筒式扬声器的优点 电声转换效率高 缺点 体积大 价格高 号筒式扬声器的结构 发音单元号筒号筒又称喇叭筒 主要有锥形 指数展开形和双曲线展开形 号筒的等效输入力阻抗和输入声阻抗 无限长的指数号筒号筒的截面积 运用声波传播方程式 得到号筒内各处的波阻抗率 号筒喉部的声阻抗 号筒喉部的力阻抗 结论 这三个阻抗都是频率k的函数当m 2k