声学基本知识-电波-声学-音频-声音

第五章建筑声学

一、建筑声学基本知识（一）声音的产生与传播

1.声音的产生要素：声源、介质、人耳接受。

人耳所能感觉到的具有一定强度的声波的频率范围大约在20-20000Hz之间。人耳对2000~5000Hz的声音最敏感，语言和音乐声的频率大约在100~4000Hz。

2.声音在空气中的传播（1）波阵面

声波从声源出发，在同一介质中按一定方向传播，在某一时刻，波动所达到的各点的包迹面称波阵面。

室温下，声速约340m/s，100~4000Hz的声音波长3.4m~8.5cm。

（2）声波的绕射（衍射）、反射和散射（3）波的干涉、驻波为波节为波腹（4）声波的透射和吸收透射声能与入射声能之比称为透射系数（τ）；反射声能与入射声能之比称为反射系数（r）。常把τ值小的材料称为隔声材料，把r值小的材料称为吸声材料。

吸声系数：（二）声音的计量1.声功率W，声强I，声压P（1）声功率(W)：声源在单位时间内向外辐射的声能。对频率为1000Hz的声音，人耳刚能听见的下限声功率为10-12w

。（2）声强(I)：衡量声音强弱的物理量。在单位时间内，垂直于声音传播方向的单位面积上所通过的声能，单位是W/m2。

（3）声压(P)：是指某瞬时介质中的压强相对于无声波时压强的改变量。单位:(N/m2)。

某段时间内瞬时声压的平均值称为有效声压。对于正弦波:

声强与声压的关系：

对频率为1000Hz的声音，人耳刚能听见的下限声强为10-12w/m2,相应的声压为2x10-5N/m2；使人产生疼痛感的上限声强为1W/m2，相应的声压为20N/m2。

2.声强级、声压级、声功率级及其叠加

声强级：声音的强度I和基准声强I0之比值的常用对数值，单位：贝尔(BL)。

基准声强I0=10-12w/m2

声压级：声音的声压p和基准声强p0之比值的常用对数值。常表示为：

基准声压p0=2x10-5w/m2

声功率级：

基准声功率W0=10-12w

声强级、声压级的叠加：

3.响度级

如果某一声音与已选定的1000Hz的纯音听起来同样响，这个1000Hz纯音的声压级值就定义为待测声音的“响度级”。响度级的单位是方(phon)。

4.声级计：测量复合声音响度级时使用的仪器，读数称为“声级”，单位是分贝。

在声级计中一般设有A、B、C三个计权网络。

A网络参考40方等响曲线，对500Hz以下的声音有较大的衰减，以模拟人耳对低频不敏感的特性；C网络参考85方等响曲线；B网络参考70方等响曲线。

声音

的指向性(三）人的听觉特性频谱1.音乐、噪声2.音调和音色

声音三要素：声音的强弱、音调的高低和音色的好坏。

3.时差效应

4.双耳听闻效应（方位感）5.掩蔽作用

由于某一个声音的存在，要听清另外的声音必须把这些声音的可闻阈（可闻下限）提高的现象称为掩蔽作用。

音频信号提取和处理音频技术的应用音频的数字化存贮/传输数字唱片、IP电话、多媒体网页...音频合成电子乐器、语音合成安全防卫声纹识别、声音欺骗...语音分析语义分析、人机交互...3/28/2026203/28/2026213/28/2026223/28/202623声音的属性物理属性机械波时间域：f(t)频率域：F(ω)感知属性响度(LoudnessLevel)音调(Pitch)音色(Timbre)3/28/202624声音的强度度量声音的动态范围=20·log(最大音量/最小音量)(dB)音质效果AM广播FM广播数字电话CD动态范围(dB)4060501003/28/202625响度(LoudnessLevel)听阈(ThresholdofHearing)人耳刚可以听到的响度客观的响度主观感受的响度dynes=g∙cm/sec3/28/202626响度与频率有关等响度曲线3/28/202627音调和音色音调：声波的基频音色：基频的谐波谐波的次数、幅度和相位决定了不同的音色（乐器）不同音频业务的带宽主观音调：3/28/202628掩蔽效应(MaskingEffect)

频域掩蔽一个强纯音会掩蔽附近频率的弱纯音（掩蔽效果与两个纯音的频率差有关）噪声对纯音产生掩蔽临界带宽(CriticalBand)

时域掩蔽时间轴上相近时刻的声音之间的掩蔽效应超前掩蔽(Pre-masking),滞后掩蔽(Post-masking)音频有损压缩的依据，音频水印技术的依据3/28/2026293/28/202630编号频率(Hz)编号频率(Hz)低端高端带宽低端高端带宽11002001001320002320320220030010014232027003803300400100152700315045044005101101631503700550551063012017370044007006630770140184400530090077709201501953006400110089201080160206400770013009108012701902177009500180010127014802102295001200025001114801720240231200015500350012172020002802415500220506550临界带宽（20-16kHz）3/28/202631数字音频存贮/通信A/D传感器声音电信号数据压缩数字信号数据解压D/A数字信号喇叭电信号声音存贮/传输3/28/202632音频的采样采样频率：Nyquist采样定理量化分辨率：音量动态范围量化位(bit)量化阶动态范围(dB)应用825648-50数字电话166553696-100CD声道：单声道、双声道、多声道3/28/2026333/28/2026343/28/2026353/28/2026363/28/202637音频编码语音编码的分类按照压缩后传输所需要的数据速率可以分为：高速率语音编码，PCM64kbit/s,公用电话网中高速率语音编码，ADPCM,32kbit/s

公用网中速率语音编码，GSMRPE/LTP13kbit/s；VSELP8kb/s

数字移动通信话音邮件低速率语音编码，CELP4.8kb/s,LPC1.2kb/s

保密话音极低速率语音编码，速率1.2kbit/s以下3/28/202639波形编码：脉冲编码调制自适应增量调制自适应参分脉冲编码调制自适应子带编码自适应预测编码语音编码的分类3/28/202640语音编码性能3/28/202641平均意见得分（MOS）MOS得分采用5级评分标准MOS得分质量等级失真级别5优不觉察4良刚有觉察3可有觉察且稍有可厌2差明显觉察且可厌但可忍受1坏不可忍受3/28/202642平均意见得分（MOS）4.0-4.5

高质量数字化语音，达到长途电话网的要求，接近于透明信道的编码，也称为网络质量。3.5左右通信质量，这时能够感到重建话音质量有所下降，但是不妨碍正常的通话，可以满足多数话音通信系统的使用要求。3.0分以下合成语音质量，一些声码器合成语音所能达到的质量，一般具有足够高的可懂度，但是自然度以及讲话人的确认方面不是很好。3/28/202643音频脉冲编码(PCM)调制PCM(PulseCodingModulation):脉冲编码调制3/28/202644PCM的量化方式均匀量化与非均匀量化3/28/202645对数非均匀量化c(x)非线性压缩均匀量化编码解码c-1(x)非线性扩张发送接收3/28/202646ConsultativeCommitteeforInternationalTelegraphandTelephone国际电报电话咨询委员会G.711A律μ律3/28/202647μ律A律3/28/202648CCITTG.711PCM编码规则

8kHz采样频率

音频带宽300–3400Hz

A律13段或μ律15段编码8位表示每个采样点

数据量

64kb/s[b1][b2b3b4][b5b6b7b8]符号位段号段内分层折叠码3/28/202649A律13段折线3/28/202650μ律15段折线3/28/202651自适应脉冲编码调制(APCM)

AdaptivePulseCodeModulation根据输入信号幅度大小来改变量化阶大小瞬时自适应：量化阶每隔几个样本就改变音节自适应：量化阶在较长周期内发生变化前向自适应(forwardadaptation)后向自适应(backwardadaptation)3/28/202652自适应脉冲编码调制(APCM)前向自适应后向自适应3/28/202653差分脉冲调制编码（DPCM）s(n):输入信号sr(n):重建信号sp(n):预测信号d(n):预测误差信号发送端接收端3/28/202654ADPCM编码APCM的自适应特性提高量化效率DPCM的差分特性减小样本数据表达间相关性3/28/202655CCITTG.72132kb/sADPCM实现64kb/sA律或μ律PCM速率和32kb/s速率的ADPCM之间的相互转换。话音质量接近于A律或μ律64kb/sPCM的话音质量，MOS分为4.1，达到网络等级。采样频率为8KHz，每个样点采用4比特编码。CCITTG.72132kb/sADPCM主要用来实现对现有的PCM信 道扩容，3/28/202656G.72132kb/sADPCM-编码器3/28/202657G.72132kb/sADPCM-解码器3/28/202658MP3Mpeg1AudioLayer3有损数据压缩3/28/202659音频有损压缩原理有损压缩等价于添加噪声添加的噪声不能被听到（丢失不能被听到的声音信息）充分利用人听觉的遮掩效应(Masking)3/28/202660FilterBankQQQMultiplexerPsychoacousticModelMPEG音频压缩编码器3/28/202661MultiplexerQ-1Q-1Q-1DemultiplexerMPEG音频译码器3/28/202662子带编码(Sub-bandCoding,SBC)FilterBankQuantization&EncodingPsychoacousticModelFrame不同频率的噪声掩蔽阈值Signal-to-maskRatio,SMR3/28/202663FilterBankModifiedDCTQuantizationHuffmanEncodingMultiplexerFFTMaskThre