电声学基础(纲要)

1、电声学基础电声学基础 绪绪 论论 一一什么是声学？什么是声学？ n产生产生传播传播接收接收效应。效应。 n研究范围研究范围 二二人类对声学现象的研究人类对声学现象的研究 n我国，我国，11世纪，世纪，沈括沈括 n西方，西方，17世纪，世纪，索沃索沃提出提出 acoustique的名称。如今，的名称。如今， acoustics代表声学，音质。代表声学，音质。 n人们观察声学现象，研究其规律，几人们观察声学现象，研究其规律，几 乎是从史前时期开始的。乎是从史前时期开始的。 三三近代声学近代声学 n伽利略伽利略（15641642）开创）开创 n1638年，年，“有关两种科学的对话有关两种科学的对话”

2、 n林赛林赛（r. bruce lindsay）在）在“声学的故声学的故 事事”中提到科学家中提到科学家79人人 n19世纪末，世纪末，瑞利瑞利声之理论声之理论二卷（二卷（1000 页）页） n20世纪开始，世纪开始，赛宾赛宾，建筑声学，建筑声学 n1936年，年，莫尔斯莫尔斯振动和声振动和声一书，反映一书，反映 了声学基础理论的发展了声学基础理论的发展 四四古人的声学研究理论成果古人的声学研究理论成果 1.关于声的知识和分类关于声的知识和分类 n“音音”（即乐音）（即乐音） n “乐乐” n “噪噪”，“群呼烦扰也群呼烦扰也” n “响响”，“响之应声响之应声” 2.乐律乐律 n在在管子管子

3、中首先出现，理论是中首先出现，理论是“三分三分 损益法损益法”。 n十二律是十二个标准音调，实际上基本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，的标准音调只有一个，即黄钟，史史 记记：“黄钟（管）长八寸一分黄钟（管）长八寸一分”，或，或 提：长九寸。提：长九寸。 三分损益十二律三分损益十二律 律名律名黄黄 钟钟 大大 吕吕 太太 簇簇 夹夹 钟钟 姑姑 洗洗 仲仲 吕吕 蕤蕤 宾宾 林林 钟钟 夷夷 则则 南南 吕吕 无无 射射 应应 钟钟 清清 黄黄 五七声五七声 宫调宫调 宫宫商商角角变变 徵徵 徵徵羽羽变变 羽羽 清清 宫宫 相当于相当于c cd def fg ga

4、 abc 接近自接近自 然律然律 doremifasollasido n欧洲乐律起源：欧洲乐律起源：毕达哥拉斯毕达哥拉斯（pythagoras），）， 公元前六世纪公元前六世纪 n1584年，明代王子年，明代王子朱载堉朱载堉完成完成律学新说律学新说， 详细提出十二平均律理论详细提出十二平均律理论 n荷兰人荷兰人斯蒂文斯蒂文（simon stevin），），12 2 3.共振、回声、混响共振、回声、混响 n“应应” n“鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣” n11世纪，世纪，沈括沈括，“共振指示器共振指示器” 5.波动论波动论 n亚里士多德亚里士多德（aristotle，公

5、元前，公元前 384322年）年） n高度、强度、品质高度、强度、品质 n空气运动的速度、被激动的空气量、发空气运动的速度、被激动的空气量、发 声器官的构造声器官的构造 5.频率频率 n伽利略伽利略(galileo galilei)，单摆及弦的，单摆及弦的 研究研究 6.声速声速 n法国的法国的梅尔新梅尔新，加桑地加桑地 n1687年，年，牛顿，牛顿，自然哲学的数学原自然哲学的数学原 理理 n1816年，法国数学家年，法国数学家拉普拉斯拉普拉斯 五五电声学电声学 n20世纪世纪20年代，电子管年代，电子管 n1920年，美国年，美国肯尼迪肯尼迪（a. e. kennedy）把类比概念和方法引入

6、电）把类比概念和方法引入电 声系统和机械振动系统声系统和机械振动系统 n电声学这门科学主要是研究电能和声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，造和理论，录音和放音的各种方法， 都是属于都是属于“电声学电声学”的范畴。的范畴。 六六 电声学与其他声学部门的关系电声学与其他声学部门的关系 n电声学和建筑声学、生理声学、超声电声学和建筑声学、生理声学、超声 学、水声学都有很密切的关系。学、水声学都有很密切的关系。 第一章第一章 振动和声波的特性振动和声波的特性 1-1 振动与声波振动与声波 1-1-1 振动

7、振动 1.什么是振动？什么是振动？p6 2.振动的特性振动的特性 1-1-2 声波声波 1.几个基本概念：几个基本概念： n声波声波 n声源声源 n媒质媒质 n声场声场 n声音声音 n声线声线 n声波声波物体的振动引起周围媒质质点由近及物体的振动引起周围媒质质点由近及 远的波动远的波动 n声源声源发声的物体，即引起声波的物体发声的物体，即引起声波的物体 n媒质媒质传播声波的物质传播声波的物质 n声场声场声波传播时所涉及的空间声波传播时所涉及的空间 n声音声音声源振动引起的声波传播到听觉器官声源振动引起的声波传播到听觉器官 所产生的感受所产生的感受 n声线声线声波传播时所沿的方向声波传播时所沿的

8、方向 2. 结论结论 n声波的产生应具备两个基本条件：物体的振声波的产生应具备两个基本条件：物体的振 动，传播振动的媒质动，传播振动的媒质 n声波是一种机械波，媒质声波是一种机械波，媒质 n传播的只是能量传播的只是能量 n气体中的声波是纵波，即疏密波气体中的声波是纵波，即疏密波 3.声波具有一般波动现象所共有的特征：声波具有一般波动现象所共有的特征： 反射、折射、衍射、干涉等反射、折射、衍射、干涉等 声波的反射声波的反射 声波的全反射声波的全反射 声波的折射声波的折射 波的衍射：惠更斯定律波的衍射：惠更斯定律 干涉与拍频干涉与拍频 n当一列有明显波长和振幅的正弦声波由当一列有明显波长和振幅的正

9、弦声波由 左向右传播时，遇到另一列具有同样波左向右传播时，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。依据在不同时间两列波叠加的情况而定。 n“同相同相”（in phase），相长干涉），相长干涉 （constructive interference） n“倒相倒相”（out of phase），相消干涉），相消干涉 （destructive interference） n“拍频拍频”（beating）。）。 多普勒效应多普勒效应 n当声源和

10、听者彼此相对运动时，会感到某一频率确定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。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。频率的变化量称为多普勒频移。 4. 声波的一些基本参数声波的一些基本参数 n波长波长 n波数波数即沿着声波传播方向上单位长度内的相位即沿着声波传播方向上单位长度内的相位 变化变化 c f 2 k k c n声速声速声波在媒质中每秒内传播的距声波在媒质中每秒内传播的距 离称为声速，用离称为声速，用c表示，单位为表示，单位为m/s。 n空气中的声速等于空气中的声速等于 0 p c n当温度为当

11、温度为15c时，声波在空气、水、钢、玻时，声波在空气、水、钢、玻 璃中的声速分别为璃中的声速分别为340m/s，1450m/s， 5100m/s，6000m/s n速度随着媒质密度增大而增加。速度随着媒质密度增大而增加。 n声音的传播速度与媒质的密度、弹性和温度声音的传播速度与媒质的密度、弹性和温度 （变化（变化1度，变化度，变化0.6m/s）有关，与声波的频）有关，与声波的频 率、强度和空气湿度无关。率、强度和空气湿度无关。 n声速比光速慢得多，这对方位感的辨别起到了声速比光速慢得多，这对方位感的辨别起到了 很重要的作用。很重要的作用。 n必须把声速和振速严格区分开来必须把声速和振速严格区分

12、开来 预习：预习： n声波的基本参量有哪些？各自的含义是声波的基本参量有哪些？各自的含义是 什么？什么？ n平面波和球面波有哪些区别？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声波的基本参量与波动方程 1.三个基本参量：三个基本参量： n媒质密度、媒质质点振动速度、声压，它们媒质密度、媒质质点振动速度、声压，它们 都是位置与时间的函数都是位置与时间的函数 a.媒质密度媒质密度 =（x,y,z,t） n在没有声波时，媒质密度称为静态密度在没有声波时，媒质密度称为静态密度0， n是指该处媒质密度的瞬时值。是指该处媒质密度的瞬时值。 b.媒质质点振动速度媒质质点振动速度 v n它是

13、一个向量，反映微观质点振动，单位它是一个向量，反映微观质点振动，单位 m/s c.声压声压 p np=p（瞬态）（瞬态） p0（静态）（静态） n是标量，单位是标量，单位pa 2. 三个声波方程式三个声波方程式 n声振动作为一个宏观的物理现象，必然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，即要满足三个基本的物理定律，即牛顿第牛顿第 二定律、质量守恒定律及上述压强、温二定律、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度与体积等状态参数关系的状态方程。 n为了使问题简化，必须对媒质及声波过为了使问题简化，必须对媒质及声波过 程做出一些假设，程做出一些假设，p2

14、1 a. 运用这些基本定理就可以分别运用这些基本定理就可以分别 推导出媒质的：推导出媒质的： n运动方程（牛顿第二定律的应用），即运动方程（牛顿第二定律的应用），即p 与与v之间的关系之间的关系 0 pv rt pv n状态（物态）方程（绝热压缩定律的应状态（物态）方程（绝热压缩定律的应 用），即用），即p与与之间的关系之间的关系 2 0 p c tt p n连续性方程（振动过程的统一性），即连续性方程（振动过程的统一性），即 与与v之间的关系之间的关系 0 ()sv s tr v 1-2-1 波动方程波动方程 n由上述三个基本方程，可以导出声波传由上述三个基本方程，可以导出声波传 播方程，波

15、动方程：播方程，波动方程： n推导推导 22 2 0 22 (ln ) ppps c trrr 1-2-2 平面波平面波 球面波球面波 波阻抗率波阻抗率 1.平面波平面波 a.什么是平面波？什么是平面波？ b. 方程推导方程推导 n由于波阵面是平面，波阵面面积不再随由于波阵面是平面，波阵面面积不再随 传播距离而变化，即传播距离而变化，即s不再是不再是r的函数，的函数， 讨论这种声波归结为求解一维声波方程：讨论这种声波归结为求解一维声波方程： 22 222 0 1pp xct c. 方程式的解及分析方程式的解及分析 n设方程式有下列形式的解：设方程式有下列形式的解： n代入一维声波方程，代入一维

16、声波方程， n得得 n 其中其中 ( ) j t pp x e 2 2 2 ( ) ( )0 d p x k p x dx 0 2 k c n对于讨论声波向无限空间传播的情况，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，即取成复数的解将更为适宜，即 ( ) jkxjkx p xaebe ()() ( , ) jt kxjt kx p t xaebe ， n假设没有反射，则假设没有反射，则b0，得，得 () ( , ) jt kx p t xae a ap () ( , ) jt kx a p t xp e () 00 jt kx a p ve c 讨论：讨论： n首先讨论任一瞬

17、间时，位于任一位置处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？的波经过时间后位于何处？ n任一时刻任一时刻t0时，具有相同相位的质点时，具有相同相位的质点0 是一个平面是一个平面 d.波（声）阻抗率波（声）阻抗率zs n媒质特性阻抗媒质特性阻抗 0 p zsc v 2 00 413 kg c m s 2. 球面波球面波 a.什么是球面波？什么是球面波？ n当声波的波阵面为球面时，该声波称为当声波的波阵面为球面时，该声波称为 球面波。球面波。 n一个点声源发出的声波为典型的球面波。一个点声源发出的声波为典型的球面波。 b. 方程推导：方程推导： 22 22 0 22 (ln )

18、 ,4 ppps csr trrr ()() 0 , jt krjt kr a ab peear p rr () 000 11 (1) jt kr pa vte xrcjkr 2 0000 00 22 0 ()2 , 11 ()1 () c krc krpjkr zscjk vjkrkrkrc 3. 柱面声波柱面声波 a.什么是柱面声波？什么是柱面声波？ n若声源为长圆柱形，其长度远大于波长，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，此时则辐射的声波为圆柱面声波，此时 s=2rl，其中，其中l为圆柱长度。为圆柱长度。 b.方程推导：方程推导： 22 2 0 22 1 pp

19、p c trrt 4. 平面波与球面波的区别平面波与球面波的区别 a.波阵面不同波阵面不同 b.平面波的幅度不变，球面波的幅度随距平面波的幅度不变，球面波的幅度随距 离增大而减小，在距离很大时，球面波离增大而减小，在距离很大时，球面波 近似于平面波近似于平面波 c.平面波声压与质点振速相位一致，而球平面波声压与质点振速相位一致，而球 面波不一致面波不一致 d.平面波平面波zs为一常数，球面波为一常数，球面波zs为一复为一复 数数 预习：预习： n比较在相同声压时，水中和空气中的声比较在相同声压时，水中和空气中的声 强度？强度？ 1-3 声波的特性声波的特性能量关系能量关系 n1-3-1 声压声

20、压 1.什么是声压？什么是声压？ n声波传播时，空气媒质各部分产生压缩声波传播时，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。强与静态压强的差值称为声压。 2.瞬时声压、峰值声压与有效值声压瞬时声压、峰值声压与有效值声压 npp=1.414prms 1-3-2 质点振动位移质点振动位移 1-3-3 质点振动速度质点振动速度 1-3-4 声阻抗声阻抗 1.声阻抗声阻抗za 2.声阻抗率声阻抗率zs 3.平面声波中的特性阻抗平面声波中的特性阻抗zc a p z u p zs v 00 400 p pa s zcc m v

21、 1-3-5 声能量与声能密度声能量与声能密度 1.声能量声能量e 22 0 0 22 00 1 () 2 kp v eeevp c 2. 声能密度声能密度 n定义定义单位体积内存在的声能量（瞬单位体积内存在的声能量（瞬 时值）时值） 2 222 00 22 0000 111 ()() v22 ep vpv cp 0 0 p c 3. 平均声能密度平均声能密度 0 00 0 11 v tt e edt vdt tt n对于平面波：对于平面波： n对于球面波：对于球面波： 2 2 000 rms pi cc 2 22 00 1 (1) 2() rms p ckr 1-3-6 声功率与声强声功率与

22、声强 1.平均声功率定义平均声功率定义 n又称平均声能量流，是指单位时间内通又称平均声能量流，是指单位时间内通 过垂直于声传播方向的面积过垂直于声传播方向的面积s的平均声的平均声 能量。声波在单位时间内沿传播方向通能量。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。过某一波阵面所传递的能量。 w n因为声能量是以声速因为声能量是以声速co传播的，因此平传播的，因此平 均声能量流应等于声场中面积为均声能量流应等于声场中面积为s，高度，高度 为为d的柱体内所包括的平均声能量，即的柱体内所包括的平均声能量，即 n平均声能量流，单位为瓦，平均声能量流，单位为瓦，1瓦瓦=1牛牛 顿顿米秒。米秒

23、。 0 wc s 2. 声强声强i a.定义定义 n通过垂直于声传播方向的单位面积上的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平均声能量流就称为平均声能量流密度 或称为声强，即或称为声强，即 0 0 c sw ic ss b.自由平面波或球面波的情况下声波在传播方向上的自由平面波或球面波的情况下声波在传播方向上的 声强为声强为 c.根据声强的定义，它还可用单位时间内、单位面积根据声强的定义，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 它也可写成它也可写成 2 00 rms p i c ee

24、 0 1 r ( )r ( ),cos t rmsrms ipv dt ipv t n对于平面波：对于平面波： n对于球面波对于球面波 n声强的单位是瓦米声强的单位是瓦米2 22 1 222 s rmsrms s v zp ipvpv z 2 4 ww i sr n例：例： n一讲话者发出的声功率约为一讲话者发出的声功率约为20w，在，在 离其离其1米的地方声强为多少？在离其米的地方声强为多少？在离其2米米 的地方声强为多少？的地方声强为多少？ n注意：切不可将声源的声功率与声注意：切不可将声源的声功率与声 源实际损耗的功率混淆。源实际损耗的功率混淆。 n例：例： n（a）比较在相同声压时，水

25、中和空气中）比较在相同声压时，水中和空气中 的声强度。的声强度。 n（b）比较在相同频率和位移幅值时，水）比较在相同频率和位移幅值时，水 中和空气中的声强度。中和空气中的声强度。 n1-3-7 声谱声谱 n1-3-8 工程计算用声学常数工程计算用声学常数 n自学内容自学内容p15 n预习：可以从哪几方面来描述人的主观预习：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？听觉？它们对应的客观量分别有哪些？ 1-4 听觉心理听觉心理主观听觉与电声标准主观听觉与电声标准 n人的主观听觉与客观实际是否一致？人的主观听觉与客观实际是否一致？ n音质四要素音质四要素: n振幅（幅度）振幅（

26、幅度）音强音强响度，大小响度，大小 n频率频率 音高音高音调，高低音调，高低 n频谱（相位）频谱（相位）音色音色品质品质 n波的时程特征波的时程特征音品音品 n 客观客观 主观主观 1-4-1 声压级与声强级声压级与声强级 （db） 1.为什么要采用声压级或声强级？为什么要采用声压级或声强级？ n声压和声强的量度问题，声音从最弱到声压和声强的量度问题，声音从最弱到 最强用最强用pa表示麻烦表示麻烦 n人耳听觉增长规律的非线性人耳听觉增长规律的非线性 2. 声压级声压级 a.定义定义 n在空气中参考声压在空气中参考声压pref，一般取为，一般取为 210-5帕帕 20lg rms ref p s

27、pldb p b.人耳听力范围：人耳听力范围： n0db（闻阈）（闻阈）120db（痛阈）（痛阈） c.是否存在小于是否存在小于0db的声音？的声音？ 3. 声强级声强级 a.定义定义 n空气中参考声强空气中参考声强 iref，一般取，一般取10-12wm2 b.声压级与声强级数值上近于相等声压级与声强级数值上近于相等 10lg ref i sildb i n例：例： n如果一个声波的强度为如果一个声波的强度为ia，另一个声音，另一个声音 是是ia的的1000倍，则这两个声波强度差倍，则这两个声波强度差 为多少？为多少？ 4.声功率级声功率级 12 10lg,10 a a aref w swl

28、db ww w 5. 意义与应用意义与应用 20lg,10lg e uw referef wu ldb ldb uw a.电平控制器电平控制器 b.误差误差 6. 级和分贝级和分贝 n分贝是级的单位，不能按照一般自然数分贝是级的单位，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。虑，按照对数运算的法则进行计算。 n问题：声压提高一倍，声强提高一倍，问题：声压提高一倍，声强提高一倍， 功率提高一倍，电平提高一倍功率提高一倍，电平提高一倍 7. 声源的叠

29、加声源的叠加 a.功率功率 nw1+2=w1+w2 12 10lg ref ww swldb w b.声压声压 n一般在多个声源声波相遇处的振动，是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，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，这就是点上所引起的分位移的矢量和，这就是 声波叠加的原理。声波叠加的原理。 n如果这两个声源为不相干声源，则如果这两个声源为不相干声源，则 22 1 212 ppp 22 22 12 12 2 20lg10lg refref pppp spld

30、b pp n例：设两个声源的声功率分别是例：设两个声源的声功率分别是90分贝分贝 和和80分贝，试求叠加后的总声功率。分贝，试求叠加后的总声功率。 n例：若在某一声场中有一组不相干声源，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在这一声场某点测得声压级分别为80， 90，98，100，95，90，82，75及及 60分贝，求该点的总声压级。分贝，求该点的总声压级。 1-4-2 人对声音频率的感觉特点人对声音频率的感觉特点 音高与音阶音高与音阶 1.倍频程倍频程p40 a.定义定义 n频程的单位，符号为频程的单位，符号为oct，等于两个声，等于两个声 音的频率比（或音调

31、比）的以音的频率比（或音调比）的以2为底数为底数 的对数，在音乐中常称八度。的对数，在音乐中常称八度。 2 2 1 log (). f noct f 2. 十二平均律十二平均律 a.定义定义 n所谓十二平均律，是在一个倍频程的频率范围内，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。按频率的对数刻度分成十二个等份划分音阶的。 n这十二个音阶中，相邻的两个音称为半音关系，它这十二个音阶中，相邻的两个音称为半音关系，它 们的频率比为们的频率比为 1 122 12 1 2 :1,2 f f b.关键词关键词 n21/12相临键音高频率关系相临键音高频率关系

32、n2n每每n个八度频率相差个八度频率相差2n倍倍 nfa = 440hz = fa1 c. 分组分组 n大字二组大字二组 c2b2 n大字一组大字一组 c1b1 n大字组大字组 cb n小字组小字组 cb n小字一组小字一组 c1b1 n小字二组小字二组 c2b2 n例：例： nfe1 nfb1 nfd1 3. 人耳频率听觉范围人耳频率听觉范围 n次声次声20hz20khz超声，超声，10个倍个倍 频程频程 n电声上认为：中频电声上认为：中频1k3k n另一种观点：另一种观点：500hz n小于小于150hz 低音低音 n150hz500hz 中低音中低音 n500hz5khz 中高音中高音

33、n大于大于5khz 高音高音 n极低频极低频 2040：低音大提琴、低音巴松管、：低音大提琴、低音巴松管、 管风琴、钢琴、土巴号管风琴、钢琴、土巴号 n低频低频 4080：大鼓、法国号、巴松管、低音：大鼓、法国号、巴松管、低音 单簧管单簧管 n中低频中低频 80160：定音鼓、男低音、上述乐：定音鼓、男低音、上述乐 器器 n中频中频 1601280：所有乐器、人声、厚实与：所有乐器、人声、厚实与 否否 n中高频中高频 12802560：中提琴上限、长笛、单：中提琴上限、长笛、单 簧管、双簧管高端、短笛低端、三角铁、钹簧管、双簧管高端、短笛低端、三角铁、钹 n高频高频 25605120：小提琴上

34、限、钢琴、短笛：小提琴上限、钢琴、短笛 高端、泛音高端、泛音 n极高频极高频 512020k：泛音（谐波）：泛音（谐波） 4. 音色音色 a.为什么频为什么频 率相同的率相同的 乐器听起乐器听起 来音色不来音色不 同？同？ n由于各乐器的谐波不同（谐音数目与强由于各乐器的谐波不同（谐音数目与强 度分布不同），音色不同度分布不同），音色不同 b. 谐频谐频音色音色 n任何声音的实际音色，均取决于在基频之上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）出现的谐频（又叫谐音） n谐音的频率总是基频的整数倍，这种音在主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

35、许多多频率观上是和谐的；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与强度都不同的各种成分杂乱无章的组合而 成。成。 n音色：成分音结构音色：成分音结构 n音品：时间结构，波的时程包络，从起始音品：时间结构，波的时程包络，从起始 稳定稳定衰减的特性衰减的特性 1-4-3 听觉的基本特性听觉的基本特性 1.听觉的韦伯定律听觉的韦伯定律 2.听觉的欧姆定律听觉的欧姆定律 3.双耳听觉双耳听觉 4.听觉疲劳听觉疲劳 5.听阈（闻阈）听阈（闻阈） 6.痛阈痛阈 7.听觉住留听觉住留 8.听力谐音听力谐音 1-4-4 响度与响度级响度与响度级 听觉的频率响应听觉的频率响应 音音 调调

36、 n对于两个声压级相同的声音，人耳听起对于两个声压级相同的声音，人耳听起 来是否一样响？来是否一样响？ 1.人对同样强度但是不同频率的声音主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观感觉的强弱是不同的 a.对声强和频率变化的分辨力对声强和频率变化的分辨力 b.人类听觉频率响应（图）人类听觉频率响应（图） c. 人类听觉频响的特点：人类听觉频响的特点： n声压级越高，人的听觉频响会越趋平直；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，其中低频尤甚响会相应变坏，其中低频尤甚 n对于高于对于高于1820khz

37、和低于和低于1620hz 的简谐声音，不论声级多高，一般人都的简谐声音，不论声级多高，一般人都 不会听到不会听到 n不论声压级高低，人们对不论声压级高低，人们对3khz5khz 的频率分量最敏感的频率分量最敏感 d.既然人耳对既然人耳对2020khz以外的声音是以外的声音是 听不到的，为什么在高保真技术中规定听不到的，为什么在高保真技术中规定 的频率要远远大于这个范围？的频率要远远大于这个范围？ 2.等响曲线等响曲线为了更全面地表示人类为了更全面地表示人类 的听觉频响特性（的听觉频响特性（p53） a.等响曲线图，图中每一条曲线上对应的等响曲线图，图中每一条曲线上对应的 各个频率的声音强度听起

38、来是等响的各个频率的声音强度听起来是等响的 b.响度级的概念：习惯上以曲线在响度级的概念：习惯上以曲线在1khz 时的声压级数定为响度级数，用时的声压级数定为响度级数，用“方方” 作为响度级的单位作为响度级的单位 c.人耳对响度的听力范围：人耳对响度的听力范围：0120 （140）方）方 d.响度效应（响度效应（loudness effect）与等响）与等响 开关（响度控制器）开关（响度控制器）loudness n没有响度控制器的设备如何满足人耳的没有响度控制器的设备如何满足人耳的 听觉？听觉？ e. 响度级与声压级响度级与声压级 n分贝数与方数仅在分贝数与方数仅在1000hz的时候数值的时候

39、数值 是相同的是相同的 n同样强的声音在不同频率时并不一样响同样强的声音在不同频率时并不一样响 n例：频率为例：频率为1000hz和和60hz的两个声音，的两个声音， 声压级均为声压级均为60db，问响度级差多少？，问响度级差多少？ n例：在上题中，欲使两个声音一样响，例：在上题中，欲使两个声音一样响， 问问60hz的声音需要增强多少？的声音需要增强多少？ 3. 响度与响度级响度与响度级 n响度与响度级的关系响度与响度级的关系 n问题：响度提高一倍，响度级提高多少？问题：响度提高一倍，响度级提高多少？ 输出功率提高多少？输出功率提高多少？ 4. 计权计权 n根据主观听觉对客观值的修正，即如果根

40、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，必须模仿要用仪器测量声音的响度级，必须模仿 上述人的听觉频响。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。特性来代表人的听觉频响。 na计权计权模仿声压级在模仿声压级在030db时的时的 听觉频响听觉频响 nb计权计权3060 nc计权计权60130 nd计权计权表征飞机噪声在听觉上的反映表征飞机噪声在听觉上的反映 n线性计权线性计权为了排除超声与次声信号为了排除超声与次声信号 而设置的，也称宽带计权而设置的，也称宽带计权 5.音调音调 n自学内容自学内容p54

41、 1-4-5 掩蔽效应（掩蔽效应（frequency masking） 1.定义：定义：p55 2.原因原因 3. 纯音掩蔽时的听阈纯音掩蔽时的听阈 n当响度较大时，低频声会对高频声产生当响度较大时，低频声会对高频声产生 较显著的掩蔽作用较显著的掩蔽作用 n高频声对低频声只产生很小的掩蔽作用高频声对低频声只产生很小的掩蔽作用 n掩蔽音和被掩蔽音的频率越接近，掩蔽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。对另一个音的掩蔽作用最大。 4.噪声掩蔽时的听阈噪声掩蔽时的听阈 n自学内容自学内容p56 5. 应用应

42、用 n电声设备中的不可避免的本底噪声究竟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，这就是电来规定允许的最大噪声强度，这就是电 声技术标准中的声技术标准中的“信号噪声比信号噪声比”指标的指标的 来源。来源。 6.鸡尾酒会效应（鸡尾酒会效应（cocktail party effect） a.定义定义 b.原因原因 1-4-6 方向听觉方向听觉 1.双耳效应双耳效应 2.哈斯效应（优先效应，延时效应）哈斯效应（优先效应，延时效应） n535m

43、s：几乎不能察觉，后一个起丰：几乎不能察觉，后一个起丰 满作用（补充）满作用（补充） n3050ms：有一点儿察觉，但以第一：有一点儿察觉，但以第一 个为主个为主 n50ms以上：可分辨，可感到回声以上：可分辨，可感到回声 3. 德德波埃效应波埃效应 n声像的概念声像的概念 n德德波埃效应与双耳效应的区别波埃效应与双耳效应的区别 4.劳氏效应劳氏效应 1-5 常见声音信号的特点常见声音信号的特点 电声系统的电声系统的 基本要求基本要求 1-5-1 声音信号的特点与电声系统的要求声音信号的特点与电声系统的要求 主、客观的结合主、客观的结合 1.声音信号的时程特点：增长、稳定、衰减声音信号的时程特

44、点：增长、稳定、衰减 与与 电声设备的稳态与瞬态的要求电声设备的稳态与瞬态的要求 2.声音信号的频谱特点与电声设备的频带要求声音信号的频谱特点与电声设备的频带要求 3.声音信号的声色声音信号的声色 与电声设备的线性与非线性与电声设备的线性与非线性 要求要求 4.声音信号波形不对称的特点声音信号波形不对称的特点 1-5-2 声音信号强度的测量声音信号强度的测量 n峰值、有效值、平均值、准峰值、准平峰值、有效值、平均值、准峰值、准平 均值、峰值因数、峰平比均值、峰值因数、峰平比 max 2 2 2 2 2 ( )() 22 ( ) ( ) 1 0.707 2 2 1.11 4 p t t rms

45、t t avg qppp q aavgavg p rms p avg tt uu tt ut dt u t u t dt u t uuu uuu u u u u 峰值 有效值 平均值 准峰值 准平均值 峰值因数 峰平比 2. 常用音量表常用音量表 n自学内容：自学内容：vu表，表，ppm表区别表区别 n预习：直达声，反射声，混响声预习：直达声，反射声，混响声 2-1 历史研究历史研究 1. 室内声学室内声学（room acoustics）的现代研究的现代研究 n 华莱士华莱士克莱蒙特克莱蒙特赛宾赛宾（wallace clement sabine） 2. 自由声场与扩散声场自由声场与扩散声场 a

46、.自由声场：无界空间的声场，声源向四自由声场：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周辐射而无任何界面或物体的反射 b.扩散声场：声能密度均匀在各个传播方扩散声场：声能密度均匀在各个传播方 向为无规律分布的声场向为无规律分布的声场 扩散声场的理想条件：扩散声场的理想条件： n声以声线方式以声速声以声线方式以声速co直线传播，声线直线传播，声线 所携带的声能向各方向的传递几率相同，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以相同强度传来的声波叠加而成 n声场中各个方向传播的声波的相位是

47、任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加时，它们的位相变化是无规的 n声场中各处声能密度相同声场中各处声能密度相同 3.房间对室内声场的影响：房间对室内声场的影响：p312 a.引起了反射引起了反射 b.改变了语言和音乐的瞬态特性改变了语言和音乐的瞬态特性 c.增加了房间内声能密度增加了房间内声能密度 d.改变了声能在室内的空间分布改变了声能在室内的空间分布 4. 房间的声学类型：房间的声学类型：p312 n直接听音的房间直接听音的房间 n使用电声耦合系统的房间使用电声耦合系统的房间 n使用扩声系

48、统的房间使用扩声系统的房间 2-2 室内声的组成室内声的组成 1.室内声构成室内声构成 a.直达声直达声 （direct sound） b.反射声（反射声（reflection）：）： n前期（近次）反射声前期（近次）反射声 （50ms以内）以内） n混响声混响声 reverberation 2. 混响声混响声p62 n人们对于语言与音乐的混响时间的要求是不一人们对于语言与音乐的混响时间的要求是不一 样的样的 n例如，一般小型的播音室、录音室，最佳混响例如，一般小型的播音室、录音室，最佳混响 时间要求在时间要求在0.5秒或更短一些，主要供演讲用秒或更短一些，主要供演讲用 的礼堂或电影院等，最佳

49、混响时间要求在的礼堂或电影院等，最佳混响时间要求在1秒秒 左右，主要供演奏音乐用的剧院和音乐厅一般左右，主要供演奏音乐用的剧院和音乐厅一般 要求在要求在1.5秒左右为佳。秒左右为佳。 n人工混响人工混响 3. 回声回声 echo n如果到达听者的直达声与第一次反射声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之间，或者相继到达的两个反射声之间 在时间上相差在时间上相差50毫秒以上，而反射声的毫秒以上，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声音的存在，那么这种延迟的反射声叫 做回声。做回声。

50、n回声与混响是不同的概念。回声与混响是不同的概念。 4. 空间感空间感 n空间感与声场中方向分布的均匀性有关，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。室内声场扩散越充分，空间感程度越高。 n除了方向听觉外，人耳尚能对声源距离除了方向听觉外，人耳尚能对声源距离 定位和对声源高度定位定位和对声源高度定位 5.初始声能的作用初始声能的作用 2-3 闭室的混响声与混响时间闭室的混响声与混响时间 2-3-1 闭室的简正频率闭室的简正频率 1.驻波驻波 简正波简正波 固有频率固有频率p322 a.驻波驻波 n“进行波进行波”（progressive wave） n干涉干涉

51、 n当某一频率声波的当某一频率声波的1/2波长恰好与房间波长恰好与房间 长度相等时，就形成了驻波长度相等时，就形成了驻波 n“室内模式室内模式”（room mode） n“轴向驻波轴向驻波”（axial），）， “切线驻波切线驻波” （tangential），）， “间接驻波间接驻波” （oblique） b. 简正波与固有频率简正波与固有频率 n室内驻波是一种三维驻波室内驻波是一种三维驻波简正波，简正波， 每一个简正方式都有其特有的对应频率，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，也称室内固有频对应频率为简正频率，也称室内固有频 率。率。 n简正频率及其分布情况对于确定的房

52、间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。激发下才能表现出来。 2.矩形硬墙面闭室的固有频率矩形硬墙面闭室的固有频率 fn p322 222 0 xyz ()()() 2 m nnn y xz n n cnn f lbh lbh ， ，闭室内的长、宽、高（ ） ，正整数或零 3. 固有频率的分布特点固有频率的分布特点 4.频率在频率在f以内的房间简正频率数以内的房间简正频率数n 32 000 4 ()()() 348 2() 4() x y

53、 z y zx zx y xyz fflf nvs ccc vl l l sl ll ll l llll 5. 房间的共振和共振频率房间的共振和共振频率 a.共振的产生共振的产生 b.结果：简并，声染色结果：简并，声染色 6.简并简并几个方向上的简正频率相重几个方向上的简正频率相重 合的现象合的现象 n例：有一间房间例：有一间房间34.56m3，（，（lz 2lx），用），用fn数低于数低于100hz以下房间简正以下房间简正 频率数。频率数。 7. 染色染色p328 n假如只有个别频率分量能激发出简正波，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会使室内声音在这些

54、个别频率分量上突 出地加强和拖尾，导致听觉上的出地加强和拖尾，导致听觉上的“染色染色” 现象。现象。 8.如何避免过多的简并现象？如何避免过多的简并现象？p319 n足够大的房间（与声波波长相比），足够大的房间（与声波波长相比）， （避免低频共振）（避免低频共振） n矩形闭室的长、宽、高不能成简单正比矩形闭室的长、宽、高不能成简单正比 关系，最好取无理数关系，最好取无理数 n房间应具有散射声波的扩散体房间应具有散射声波的扩散体 n吸声材料应分散在各个壁面上吸声材料应分散在各个壁面上 9. 分析室内情况主要分析分析室内情况主要分析3r声声 nreflect（反射）（反射） nreverberat

55、ion（混响）（混响） nresonance（共鸣）（共鸣） 10. 房间均衡器（房间均衡器（equalizer）弥补房间弥补房间 频率不均匀频率不均匀 节目源节目源调音台调音台eq 功放功放 喇叭喇叭 喇叭喇叭 2-3-2 闭室的混响声扩散与混响时间闭室的混响声扩散与混响时间 1.混响时间混响时间t60 p316 n定义：混响声声能密度在声源停止发声定义：混响声声能密度在声源停止发声 后衰减后衰减60db所需要的时间所需要的时间 a. 赛宾公式：赛宾公式： 60 0.161kvv t as 1 n ii i ass 1 1 n ii i s s 11 1 () nn iij ij sa s

56、n例，室内有例，室内有20只木椅，每只木椅的吸声只木椅，每只木椅的吸声 量为量为0.2米米2，则，则20只木椅的吸声量为：只木椅的吸声量为： 2 1 20 0.24 n j j am b. 艾润公式：艾润公式： 60 0.161 ln(1) v t s c. 赛宾努特生公式：赛宾努特生公式： 60 0.161 4 v t smv nm空气的声能衰减常数（空气的声能衰减常数（1/m） 室温室温20c，相对湿度，相对湿度50时的时的4m值值 频率（频率（hz）10002000400063008000 4m（m 1 ） ）0.0040.0100.0240.0500.077 d. 艾润努特生公式：艾润

57、努特生公式： 60 0.161 ln(1)4 v t smv 2. t60的意义：的意义： n已知已知v，s，可求，可求t60 n已知已知v，s，确定，确定t60，可进行房间音，可进行房间音 质设计质设计 n已知已知v，s，测定，测定t60可求材料的可求材料的 n当当=1，t600，自由声场（消声室），自由声场（消声室） n当当=0 ，t60，扩散声场（混响，扩散声场（混响 室）室） 3. 几个公式的关系几个公式的关系 房间小，频率房间小，频率 低低 房间小，频率房间小，频率 低低 反之反之 反之反之 0.2 r，r/2qr nq=r/2 nqr/2 nr0 2-6 噪声控制噪声控制 隔声隔声

58、 n标准标准 n措施措施 2-6-1 噪声控制的一般要求噪声控制的一般要求 n厅堂内的噪声主要来自三个方面：厅堂内的噪声主要来自三个方面： n一是建筑物内设备的噪声一是建筑物内设备的噪声 n二是外界传入观众厅的噪声二是外界传入观众厅的噪声 n三是与本建筑物相关设施的其他噪声源三是与本建筑物相关设施的其他噪声源 2-6-2 室内噪声标准室内噪声标准 n“安静的衡量标准安静的衡量标准”信噪比信噪比 na计权计权 nnc噪声评价曲线噪声评价曲线 nnriso提供提供 各类观众厅内噪声限值各类观众厅内噪声限值 观众厅类型观众厅类型自然声自然声采用扩声系统采用扩声系统 歌剧、舞剧剧场歌剧、舞剧剧场nr-

59、25nr-30 话剧、戏曲剧场话剧、戏曲剧场nr-25nr-30 单声道普通电影院单声道普通电影院nr-35 立体声电影院立体声电影院nr-30 会堂、报告厅和多用途礼堂会堂、报告厅和多用途礼堂nr-30nr-35 2-6-3 隔声措施的一般原则隔声措施的一般原则 1.外界噪声传入室内的两个途径：外界噪声传入室内的两个途径：p340 a.空气声空气声 b.固体声固体声 2. 隔声原则隔声原则 a.抑制噪声源抑制噪声源 b.正确选址正确选址 c.隔声措施隔声措施 n隔声：隔声： n空气声空气声 高频高频 n隔振：隔振： n固体声固体声 低频低频 振动振动 2-6-4 建筑构件的空气声隔声量建筑构

60、件的空气声隔声量 1.透声系数与隔声量透声系数与隔声量 0 t e e 1 10lgtl 2.单层密实均匀结构的隔声单层密实均匀结构的隔声“质量作质量作 用用”定律定律 20lg20lg43tlfm md n例：有一堵砖墙，厚度例：有一堵砖墙，厚度d=0.1m， =2000kg/m3，对于，对于f=1000hz的声的声 波的隔声量是多少？波的隔声量是多少？ 3. 双密实均匀结构的隔声双密实均匀结构的隔声 a.双层墙同样随双层墙同样随f增加而增加而tl增加增加 b.避免声桥避免声桥 c.中间可悬挂吸声材料中间可悬挂吸声材料 d.谐振点谐振点 12 60011 o f lmm 2-7 房间音质设计