数字音响技术基础

数字音响技术基础第1页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华2

声压：当有声波存在时，在原来的静态气压上附加了一个压力的起伏变化。这个由声波引起的交变压强称为声压。声压的大小表示声波的强弱。在一定时间内，瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压。正常人能听到的最弱声音约为2×10-5Pa，称为参考声压，用符号Pr表示。人耳主观感受的响度正比于声压的对数值。SPL为声压级，Pe为声压有效值，Pr为参考声压。声波在传播中会产生反射、绕射和干涉等现象。第2页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华32.2听觉的基本特性听觉形成的基本机理：由声源振动发出的声波，通过外耳道、鼓膜和小听骨的传导，引起耳蜗中淋巴液和基底膜的振动，并转换成电信号，由神经元编码形成脉冲序列，通过神经系统传递到大脑皮层中的听觉中枢，产生听觉，感受到声音。人耳能够接收频率为20Hz～20kHz的音频；可以感受声压为2×10-5～2×102Pa的声波。第3页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华4可闻声、听阈和痛域

可闻声是指正常人可以听到的声音频率范围：20Hz～20kHz，称为音频。20Hz以下称为次声，20kHz以上称为超声。人耳对中频段1～4kHz的声音最为灵敏，对低频和高频段的声音则比较迟钝。正常人能听到的强度范围为0～140dB。使声音听得见的最低声压级称为听阈，它和声音的频率有关。使耳朵感到疼痛的声压级称为痛域，120dB时，人耳感到不舒适；声压级大于140dB时，人耳感到疼痛；声压级超过150dB时，人耳会发生急性损伤。第4页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华5响度、音调和音色（声音三要素）响度俗称音量，是指人耳对声音强弱的主观感受。响度不仅正比于声音强度的对数值，而且与声音的频率有关。规定以1000Hz纯音的声压级定义为响度级，单位为“phon”(方)。在放音时，特别是小音量放音时，为了不改变原始音色，就应借助等响曲线所揭示的听觉特性对低频和高频进行频率补偿，这就是所谓响度控制电路。第5页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华6等响曲线第6页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华7

音调又称音高，是指人耳对声音音调高低的主观感受。音调主要决定于声音的基波频率，基频越高，音调越高；同时还与声音的强度有关。音调的单位是“美”，频率为1000Hz、声压级为40dB的纯音所产生的音调定义为1美。声音基频每增加一个倍频程，音乐上称为提高一个“八度音”。音色是指人耳对声音特色的主观感受。音色主要决定于声音的频谱结构，还与声音的响度、音调、持续时间、建立过程及衰老过程等因素有关。声音的频谱结构用基频、谐频数目、幅度大小及相位关系来描述。第7页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华8听觉灵敏度听觉灵敏度是指人耳对声压、频率及方位的微小变化的判断能力。声压级在50dB以上时，人耳能分辨出的最小声压级差约为1dB；而声压级小于40dB时，要变化1～3dB才能觉察出来。频率为1000Hz、声压级为40dB的声音，变化3Hz就能觉察出来，当频率超过1000Hz、声压超过40dB时，人耳能觉察到的相对频率变化范围（△f/f）约为0.003。第8页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华9掩蔽效应掩蔽效应是指同一环境中的其它声音会使聆听者降低对某一声音的听力。一个较强的声音往往会掩盖住一个较弱的声音，特别是当这两个声音处于相同的频率范围时。第9页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华102.3立体声基本原理立体声是一个应用两个或两个以上的声音通道，使聆听者所感到的声源相对空间位置能接近实际声源的相对空间位置的声音传输系统。立体声成分：第一类为直达声。直达声能帮助人们确定声源方位。第二类为反射声。反射声给人空间感，可以感受到音乐厅的空间大小。第三类为混响声。由于大量的反射声在厅堂内经过各个边界面和障碍物多次无规则的入射和反射，形成漫无方向、弥漫整个空间的散射，即使乐器停止发声后，厅堂内的声音仍延续一个瞬间，这种袅袅余音称为混响声。建立起来的混响声从强度最大值到衰落60dB为止，这段时间称为混响时间。混响给人包围感，可以感受到声音在三维空间环绕。反射声和混响声共同作用，综合形成现场环境音响气氛，即产生所谓临场感。第10页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华11立体声的特点（1）具有明显的方位感和分布感用单声道放音时，即使声源是一个乐队的演奏，聆听者仍会明确地感到声音是从扬声器一个点发出的。而用多声道重放立体声时，聆听者会明显感到声源分布在一个宽广的范围，主观上能想象出乐队中每个乐器所在的位置，产生了对声源所在位置的一种幻像，简称为声像。幻觉中的声像重现了实际声源的相对空间位置，具有明显的方位感和分布感。（2）具有较高的清晰度用单声道放音时，由于辨别不出各声音的方位，各个不同声源的声音混在一起，受掩蔽效应的影响，使听音清晰度较低。而用立体声系统放音，聆听者明显感到各个不同声源来自不同方位，各声源之间的掩蔽效应减弱很多，因而具有较高的清晰度。第11页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华12（3）具有较小的背景噪声用单声道放音时，由于背景噪声与有用声音都从一个点发出，所以背景噪声的影响较大。而用立体声系统放音时，重放的噪声声像被分散开了，背景噪声对有用声音的影响减小，使立体声的背景噪声显得比较小。（4）具有较好的空间感、包围感和临场感立体声系统能比单声道系统更好地传输近次反射声和混响声。音乐厅里的混响声是无方向性的，它包围在听众四周；而近次返射声虽然有方向性，但由于哈斯效应的缘故，听众也感觉不到反射声的方向，即对听感来说也是无方向性的。单声道系统中，重放的近次反射声、混响声都变成一个方向传来的声音；而立体声系统中，能够再现近次反射声和混响声，使聆听者感受到原声场的音响环境，具有较好的空间感、包围感和临场感。

第12页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华13听觉定位机理(平面、距离、高度）1、声源平面定位（1）时间差（2）相位差（3）声级差（4）音色差第13页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华14

2、声源距离定位人耳对声源距离的定位，在室外主要依靠声音的强弱来判断，在室内则主要依靠直达声与反射声、混响声在时间上、强度上的差异等因素来判断。3、声源高度定位由声波在垂直面上的入射角（仰角）和直线距离决定。

耳壳效应：耳壳有特殊形状，声波由不同方向入射到不同部位，反射到耳道口的声程不同，时间差形成反射波与直达波在不同频率上的叠加，形成一种和声源方向有关的梳状频谱特性，耳壳神经据此判断声源方位（4kHz有效）第14页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华15双扬声器定位

实验装置第15页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华16双扬声器声像定位聆听重放的立体声时，听觉器官幻觉中的声源位置称为声像。声像分布、声像清晰度是最终体现立体声效果的要素。实验结果：当两声道信号完全相关时，聆听者感觉到的是点状声像；当信号不完全相关时，形成的是统一的较宽的声像；如果放送的两个信号互不相关，无论强度差或时间差为何值，聆听者均感到两只扬声器各发出各自的声音。声像分布：当聆听者位于双扬声器中心线时，感觉到的声像分布与声源声级差、频谱差、相位差及时间差有关。第16页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华17声像分布与声级差及频率域的关系

声像分布与声级差及频率域的关系，用正弦定理来描述：式中θ是声像方位角，α是聆听角，L、R分别为左、右两声道的信号强度，K是修正系数。当信号频率f≤700Hz时，K=1；当f＞700Hz时，K=1.4在制作立体声节目时可用一个以700Hz为转折频率的“阶梯频响校正电路”，使高于700Hz的信号强度下降3dB，校正特性如图2–8所示。这种预先校正可以避免复音声像变宽，清晰度下降的现象。第17页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华18700f(Hz)–3dB10.707K图2-8阶梯频响校正特性第18页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华19声像清晰度（与声像宽度有关）宽度越小，声像清晰度越高。因为人对声源的方向定位精度会随着偏离正前方而下降，所以声像的宽度在扬声器基线上也不是等宽分布，靠近扬声器处声像宽度增大。实验证明：在基线的中间段，室内听音的声像宽度约为7B%，户外听音的声像宽度约为9B%；在基线两侧扬声器处，声像宽度达20B%，声像清晰度下降。聆听者在最佳位置聆听立体声时，最多能辨别的声像数约为7～10个。扬声器的间距，即基线长度B的最佳值为2～3.4m，最佳聆听区在中心线两侧一个狭长的区域内。第19页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华20双声道立体声拾音1、A–B制：A–B制拾音方式是将两只型号及性能完全相同的传声器并排放置于声源的前方，传声器可选用全指向性的或单指向性的。2、X–Y制：X–Y制拾音方式采用两只型号及特性完全一致的传声器，上下靠紧安装在一个壳体内，构成重合传声器。两只传声器的指向性主轴形成90～120°的夹角，采用这种拾音方式，两只传声器拾得的信号几乎不存在时间差和相位差，而只有声级差。

第20页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华213、M–S制：M–S制拾音方式是将一只传声器M的指向性主轴对着拾音范围的中线，而另一只传声器S的指向性主轴则向着两边，两只传声器的指向性主轴夹角为90°。通常，M传声器采用全指向性或心形传声器，而S传声器则必须采用双指向性传声器。4、仿真头制：用立体声耳机收听，真实感很强，立体声效果很好。但是，不能用双扬声器来放声，否则会引起附加的时间差和声级差，立体声效果很差。第21页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华22+–MS左声道右声道L=M+SR=M–S图2-11M-S制拾音方式第22页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华232.4室内声学

音响效果与室内声学特性有着密切的联系。对音响效果有决定作用的室内声学特性包括3个方面，即室内声场分布、隔音效果和混响效果。混响时间：混响声从最强值到衰落60dB为止，所经历的时间称为混响时间。混响时间估算第23页，课件共24页，创作于2023年2月2023/7/24电子科学与技术教研室覃善华24最佳