声音的属性与计量

声音的属性和计量 河北科技大学于洋 本讲主要内容一 有关声波的几个基本概念二 声场的基本知识三 人耳的听觉特性与心理声学四 声压 声压级与响度级五 声强 声强级 声功率及声功率级六 响度 响度级与等响度曲线七 电平级八 声音信号的频带宽度与倍频程九 音响系统的匹配 3 一 有关声波的几个基本概念 1 声音产生的过程 声音是通过物体机械振动而产生的 它以波动的方式传播 由声波刺激人耳所引起的主观感觉 4 扬声器振膜的振动会使周围的空气质点产生一定的疏密变化 产生在空气中传播的疏密波 这种疏密波称为 声波 扬声器振膜的振动会使周围的空气质点产生一定的疏密变化 5 声波 基音 泛音 基音是完整的一个声波 泛音是其后无限重复的声波振幅 表示声波随时间变化的最大值 也称为峰值 振幅 6 频率 一秒钟振动的次数称为频率 用f表示 单位赫兹 Hz 人耳能听到的声音频率范围为20Hz 20kHz 周期 声波振动一次所需的时间称为周期 以T表示 单位为s 秒 频率和周期是互为倒数的 7 波长 声波每振动一次所走过的距离称为声波的波长 以 表示 单位为米 m 声速 声波在1s 1秒 内所传播的距离称为声速 以c表示 单位为m s 米 秒 0 时 在压强为1个大气压的空气中 c 331 5m s c值几乎不受气压影响 但会受温度变化的影响 在t 时 声音的传播速度c约为 c 331 5 0 6t m s 在室温 15 时 时 c约为340m s 8 2 声音的定义声音是客观物体振动 通过介质传播 作用人耳 产生的主观感觉 它不但是一种客观存在的物理量 而且是人的主观感觉 某些动物的听觉比人类敏感 3 声源的组成一般声源是由三个基本部分组成 激励源 振动源 共鸣源 10 4 声音的三要素客观 1 振幅2 频率3 频谱主观 1 音量2 音调3 音色 11 二 声场的基本知识 1 声场对声音的影响1 优质扩音的几个必备条件 1 声源及其设备 2 声场与环境 3 操作人员的素质与能力 12 2 室内人耳听到的声音包括三部分 1 直达声产生声音的方向感 亲切感 2 反射声产生声音的空间感和力度感 3 混响声产生声音的丰满感和厚度感声影区 声音达不到的地方 13 2 室内声场的参量1 混响时间 室内的声场达到稳定状态之后 从切断声源开始 到声压衰减到原值的千分之一 即声压级降低60dB时所需要的时间 近似公式为 公式中V为房间体积 为房间总吸声量 14 2 不同功能的声场要求的最佳混响时间表 15 3 混响半径 室内扩声时 距离声源越远 直达声声强越小 周围的混响声强相对于直达声声强成比例上升 当距离达到一定数值时 混响声声强等于直达声声强 这一距离叫混响半径 另一张说法 声源的指向性因素 房间常数 近似公式为 16 4 房间常数 房间内对声音的有效吸声量 其值越大 说明房间对声音的吸收越多 混响时间越短近似公式为 单位为平方米 式中 为房间的总面积 为房间的平均吸声系数 消声室 当近于1时 房间常数近于无限大 由于声音几乎全部吸收 没有反射 故混响时间近于零 混响室 当近于0时 由于房间常数近于声音几乎全部反射 没有吸收 故混响时间近于无限长 17 接收声音与转换声音 人耳的构造图 三 人耳的听觉特性 1 生理声学 1 人耳的构造与功能 18 2 心理声学 1 掩蔽效应一个声音的听阈因另一个声音的存在而提高的现象称为掩蔽效应 例如 听清楚A的声音的阈值为40dB 若同时又听见声音B 由于B的影响使A的阈值提高到52dB 即比原来提高12dB才可以听见A的声音 A 被掩蔽声 B 掩蔽声 12dB 掩蔽量 52dB 掩蔽阈 20 2 鸡尾酒会效应鸡尾酒会效应是指人的一种听力选择能力 在这种情况下 注意力集中在某一个人的谈话之中而忽略背景中其他的对话或噪音 鸡尾酒会效应揭示了人类听觉系统中令人惊奇的能力 使我们可以在噪声中谈话 21 当两个声源声压相同 而且同时到达人耳时 人们感觉声音是从中间方向来的 中间会形成一个虚拟生源 当其中一个声源的声压逐步提高 人们感到声源由中间位置向高声压级的一方移动 当提高声压级超过9dB时 人们感觉声音是从高声压级一方来的 如果不改变声压级 而使其中一个声源延迟 如果延迟在30ms以内 听觉上将感到只来自未延迟的声源 当延迟时间超过50ms时 听觉上感到两个声音 即出现回声 哈斯效应是制作环绕声的理论基础 3 哈斯效应 人耳对于声源方向感觉的基本特性 2020 4 7 哈斯效应 声音在3 30ms 确定声音方向 在30 50ms 同时存在 在50ms以上存在两个声音 多普勒效应 由于波源和观察者之间有相对运动 使观察者感到频率发生变化的现象 称为多普勒效应 例子 迎面而来的小火车 声压 声源振动而产生的大气压的波动值 压强的改变量 用p表示 单位为帕 Pa Pa 1N m2 有时也可以用 巴 bar 作单位 1Pa 10 5bar 声压 24 声压级 测量的声压与基准声压的比值取常用对数再乘以20 单位是dB 它表示声压大小的等级 声压级 用公式表示声压级 待求的声压级的声压 基准声压 数值为2 10 5Pa 1kHz时的闻阈声压值 声压 单位帕 声压级 单位分贝 刚好能听见声音的界限 25 计算举例 教室内某点的声压为2 10 2Pa 这点的声压级为多少 解 26 正常人耳的听觉下限为0dB 人耳的听觉的上限是120dB 长期在85dB以上听音就会对人耳产生损害 超过120dB的声音会耳痛 难以忍受 140dB的声音会使人失去听觉 但是 0dB不表示没有声音 27 4 响度与声压 声压级的关系 响度声压 帕 声压级 低声耳语 听觉阈 微风吹树叶 环境声 课堂讲课 语音声 室内交响乐 音乐声 电影院 听觉上限 近距离雷声 痛觉阈 飞机起飞 3米处 听力破坏 28 单位时间内 垂直于声波传播方向的单位面积所通过的声能 称为声强 用符号I表示 单位是瓦 平方米 W m2 五 声强 声强级 声功率及声功率级 在无反射的自由声场中 点声源发出的球面波均匀地向四周辐射声能 距离声场中心的距离 1 声强 I 29 2 声强级 LI 待求声强级的声强 基准声强 数值等于10 12W m2 1kHz时的闻阈声强值 声强级 测量的声强I与参考声强Io的比值取常用对数再乘以10 单位是dB 30 3 声功率 W 声功率是声源在单位时间内向外辐射的声能 它表示声源发声能力的大小 用符号W表示 单位是W 瓦 mW 毫瓦 或 W 微瓦 4 声功率级 LW 测量的声功率 W 与基准声功率 Wo 的比值取常用对数再乘以10 单位为dB 31 待求声功率级的声功率 基准声功率 数值等于10 12W 1kHz时的闻阈声功率值 用公式表示声功率级 LW 32 国际上统一规定了下列基准值 基准声压 2 10 5Pa 基准声强 10 12W m2 基准声功率 10 12W 基准电功率 1mW 基准电压 0 775V 基准电流 1 29mA 33 声强 声压 声功率与声强级 声压级 声功率级 距离音箱r米处的声压级用下式计算 总声压级 音箱灵敏度 加给音箱的电功率 听音点距音箱的距离 35 实例 音箱灵敏度为86dB 加给音箱的电功率为100W 距音箱25米处的声压级是多少 解 36 六 响度 响度级与等响度曲线 响度是指人耳对声音强弱的主观感觉 通常用字母S表示 单位是 宋 sone 规定 声压级为40dB的1000Hz标准音的主观感觉的强弱为1宋 1 响度 37 人耳判断与1000Hz纯音的1dB声压级等响的响度级为1方 2 响度级任何声音的响度级 在数值上等于与标准音 1千赫 一样响时所对应的标准音的声压级值 用字母P表示 单位是 方 phon 例如 若某一声音 纯音或复音 听起来与声压级为70dB的1000Hz纯音同样响 则这个声音的响度级为70方 38 响度 宋 与响度级 方 之间的关系 或 39 3 等响度曲线人耳的听阈在各个频率是不同的 弗莱彻 门逊得出了等响度曲线 如下图 40 4 等响度曲线的特点 a 以一千赫为基准 低频范围和高频响应提升b 最低点在四千赫左右 反映人耳在此频率范围灵敏度最高 c 高声压级 80 90d 曲线平坦 而低声压级变化较大 d 反映了人耳的听觉阀 痛觉阀 听力范围 41 如果100Hz 50dB的声音与1KHz 40dB的纯音响度相同 则应按 dB确定这个声音的响度级 A 10B 40C 50D 90 应用举例 42 43 如果100Hz 50dB的声音与1KHz 40dB的纯音响度相同 则应按 dB确定这个声音的响度级 A 10B 40C 50D 90 A 44 七 声音信号的频带宽度与倍频程 1 不同声源的频率范围 如下图所示 用于表示声源频率范围宽度的参量 等于信号上限频率F2与下限频率F1之比 再取以 为底的对数 用公式表示 2 倍频程的概念 45 1 声音全带宽的倍频程公式为 2 乐音的倍频程公式为 3 语音的倍频程公式为 46 3 倍频程的意义 1 表示容易 2 计算方便 3 与人耳的听觉相一致 47 48 4 各种频率均衡器的频率特性 31段均衡器图 每段1 3倍程 5段均衡器图 每段 倍程 49 九 音响系统的匹配 1 匹配的概念 电路之间 设备之间 系统之间 处于最佳工作状况下的联接与配合 包括 阻抗 功率 电平 带宽 连接方式等 2 音响系统的组成 50 3 负载阻抗与传输功率的关系 1 等效电路与等效阻抗在电路系统中 从任何一个联接点断开 可以分成前级和后级两个部分 前级等效于一个信号源V1和一个内阻R1 后级等效于一个负载阻抗R2 51 2 负载获得最大功率的条件 52 等效负载上获得的功率由下式表示 结论 A 负载电阻与内阻相等时可以获得最大输出功率 B 适当提高负载电阻可以提高传输效率 53 4 功放与扬声器的匹配 功放与扬声器之间是传送音讯功率的主要环节 所以 二者之间的阻抗匹配和功率的匹配是整个音响系统正常工作的关键 1 几个参数与选择 A 功放的额定输出功率 在功放的输入端加上额定信号电平时 在要求的非线性失真条件下 在其额定负载上 长时间 超过96小时 稳定工作所输出的功率 B 扬声器的额定输入功率 在非线性失真不超过要求范围条件下 扬声器保持长时间 大于96小时 稳定工作而不损坏条件下 功放实际输入扬声器的功率 54 2 功放与扬声器的功率匹配选择 A 功放额定输出功率为扬声器总额定输入功率的1 5 2倍 用在专业音响系统中 有一定的功率余量 音乐有力度感 但是对专业操作人员素质要求较高 电路工作效率低 B 功放额定输出功率约为扬声器总额定输入功率的l 2左右 用于家庭音响系统中 工作安全 非专业人员可以操作 但音乐力度不足 动态范围小 C 功放额定输出功率等于或略大于 l0 以内 扬声器总额定输入功率 工作安全稳定 信号质量高 通常推荐采用这种功率匹配方式 55 3 功放与扬声器之间的阻抗匹配选择 定阻抗输出功放与扬声器之间的匹配扬声器从功放获得的实际功率不但与两者的额定功率有关 而且与两者的阻抗 电压也有关 功放实际输出的功率由下式决定 式中 Pw1 功放实际输出的功率v1 功放的输出电压Z1 功放的额定负载阻抗 即 56 扬声器实际获得的功率由下式决定 即 式中 Pw2 扬声器实际获得的功率v2 扬声器实际获得的电压Z2 扬声器的输入阻抗当把扬声器与功放连接以后 则V1与V2相等 所以下式成立 由上式可以看出 当扬声器的输入阻抗Z2与功放的额定负载Z1相等时 则有扬声器实际的输入功率与功放的输出功率相等 当扬声器的输入阻抗Z2与功放额定负载阻抗Z1不相等时 则满足 两者阻抗之比等于两者功率之反比 或 57 举例 当把额定功率为200W 额定输入阻抗为8 的扬声器接到额定输出功率为200W 额定负载为8 的功放输出端时 按公式可得扬声器实际获得的功率也是200W 如果把这只扬声器接到一个额定输出功率为200W 额定负载为4 的功放输出端时 按公式可得 58 由于扬声器输入的实际总功率不得超过功放输出的额定功率 所以 任何时候扬声器的实际总阻抗不得低于功放的额定负载阻抗 为了把扬声器输入阻抗提高 可以选用线间变压器 注意 59 4 扬声器的串联阻抗与并联阻抗 A 扬声器的串联 串联后的总阻抗ZW等于各个扬声器阻抗Z1 Z2 Z3之和 即为 Zw Z1十Z2十Z3 当相同型号的N只扬声器相串联时 总阻抗等于单只扬声器的N倍 当不同型号的扬声器相串联时 必须满足各扬声器的额定电流应相等 60 姆欧 姆欧 例如 有三只扬声器 额定输入阻抗分别为4 8 16 则并联之后的总导纳为 并联后的总倒纳等于各个扬声器的导纳之和 当不同型号的扬声器相并联时 必须满足各扬声器的额定电压应相等 并联之后的总阻抗为 61 5 功放的阻尼系数 D 与接线电阻 r 的影响 阻尼系数的定义是功放的额定负载阻抗 Z1 与功放的内阻 R 与接线电阻之和的比值 即由于在定阻输出系统中要求功放的额定负载 Z1 与扬声器的输入阻抗 Z2 相等 所以阻尼系数公式也可写为 扬声器的额定输入阻抗 功率放大器内阻 线路电阻 62 例如 额定负载为 Z1 扬声器的额定输入阻抗为 Z2 8 如果扬声器与功放直接相联 线路电阻可以忽略的条件下 功放内阻为0 1 则阻尼系数为 阻尼系数近似为 扬