实用电声技术第二章.ppt

1、第二章 声学基础,第一部分 声波的基本性质,第一节 声波,一、定义：,声波是一种机械波，是机械振动引起周围弹性介质发生波动的现象，是机械振动在媒质中的传播 当一个物体受外力作用时，产生一个往复的弹性振动，这样就产生了声波，经过介质（物体、空间或水）向四面八方传播。当人耳接受声波的振动，通过听觉神经传达给大脑。,声音的传播：“挤压”与“释放”,当一块石子被扔到池塘里 侍者在舞厅里的移动,产生声波的物体称为声源 传播声波的物体称为媒质 存在着声波的空间称为声场,声音的传播需要介质,在外太空的真空环境里是不存在传播介质的 光信号、电磁波信号？,“假如四周无人，一棵树在森林里倒下会有声音吗？”,一个有

2、意思的问题,声音=声波？,声音是声源振动引起的声波传播到听觉器官所产生的感受 声音是由声源振动、声波传播和听觉感受这三个环节所形成的 从物理学和心理学这两个角度研究声学,二、声波的基本参数,频率（） 声波的波动频率，指振动体每秒振动的次数，单位赫兹（Hz) 发声体每秒振动的次数越多，频率越高，听音者的感觉声音的音调就越高，一般称为声音尖锐；相反，频率低的声音音调就低，听起来声音低沉（备注）,速度（C） 声波在媒质中每秒钟传播的距离称为声波的传播速度，简称声速，单位米/秒 声音在不同媒质中传播速度是不同的，在标准大气压下，0 oC的空气中，声音的速度是331.4米/秒 空气的温度越高，声速越大C

3、0=331.4+0.6t(米/秒)（t表示摄氏温度） 一般计算中，空气中速度取声速为340米/秒）,波长（） 在波的传播方向上，任何两个振动位相相同而又相邻的媒质质点间的距离称为声波的波长，用符号表示，单位是米 在一定的媒质中，波长是由声波的频率确定的，频率高则波长短，频率低则波长长,三者的关系,= C / 常温下频率为100HZ的声波分别在空气和水中传播时的波长？（备注）,振幅（A） 振动物体离开平衡位置的最大距离叫振动的。 振幅在数值上等于最大位移的大小。 振幅是标量，单位用米或厘米表示。 振幅的物理意义：振幅描述了物体振动幅度的大小和振动的强弱。,声波的分类,按声波频率的范围分（备注）

4、次声波 20KHZ （不可闻声波）,第二节 声音的度量,声压（P ） 声场中某处由声波引起的媒质压强的变化值。 用符号P 表示，单位是帕 声压与振幅有关 通常所说的声压是指声压的有效值，指一段时间内的瞬时声压的均方根值,声强（I ） 通过垂直于声传播方向单位面积上的平均声能 I =w/s 单位是瓦/平方米,声阻抗率与媒质特性阻抗,Zs=P/v=0c0 p为声场中某点的声压，v为该位置媒质质点的振动速度 Zs=0c0 0为媒质密度， c0为声波的传播速度 0c0被称为媒质特性阻抗，单位为Rayl 平面声波声阻抗率在数值上与媒质的特性阻抗相等,声压与声强的关系 I = P 2/c 声场中某处的声强

5、与该处的声压平方成正比，与媒质密度和声速成反比,声音能量的变化范围很大（备注） 研究表明：人的听觉与声压、声强不是成正比例的关系，而是与它们的对数值成正比 常用那对数方式分级的办法表示声音的大小：声压级和声强级,声压级（LP ） 某点声压的有效值(均方根值)与参考声压值之比的常用对数再乘以20，用分贝表示。 LP =20Lg(P /p0 )(DB) p0 为2*10-5帕，是1KHZ时的闻阕声压值。 人耳从闻阕到痛阕的变化范围就为0到120分贝,声强级（ LI） 指测量的声强与参考声强的比值取常用对数再乘以10，用分贝来表示 LI =20Lg(I / I 0 )(DB) I 0为参考声强值，

6、10-12（w/m2），是1KHZ时的闻阕声强值,声压级与功率的关系： L=10lg(w/wo) (dB) wo为参考功率 功率增加一倍，声压级增加3 dB 声压级与距离的关系： L=-20lg(r1/ro) (dB) ro为参考距离 距离增加一倍，声压级减小6 dB,声压级和声强级都可以度量声场中声音的强弱 前者为声波的压强，后者为声波的能量 实际测量中声压级（声级）用的较多,有关声波的几个方程：,位移： A Cos( t+ ) X为位移，A为振幅， 为声源振动的圆频率，a为初位相 由=2f，则f=/2 媒质中振动的质点都以圆频率在各自的平衡位置附近振动,声压： P(x,t) P m Cos

7、( t-kx ) P m为声场中的声压幅值；k= /c，称为波数 媒质质点： v(x,t) （P m / 0c0） Cos( t-kx ),第三节 声音的传播,声波可以在气体中传播，也可以在液体和固体中传播 声波在固体中传播的速度最快，其次为液体，再次为气体,声波在均匀介质中传播时，传播方向不会改变；而在非均匀介质中传播时，传播方向会发生变化 当声波从一种介质传播到另一种介质的界面时，会发生反射或折射，即一部分被反射，一部分被投射，另一部分被吸收 当声波在传播中遇到障碍物时会发生绕过障碍物的现象,一、声波的反射与透射,站在北京天坛的“三音石”上拍一下手，可以听到连续的三响回声。,1、平面声波垂

8、直入射时的反射与透射 声波从第一媒质向第二媒质入射时，只要两者的特性阻抗相等，就没有反射，只有透射 声波从小阻抗媒质向特大阻抗媒质入射时，被完全反射 声波从特大阻抗媒质向小阻抗媒质入射时，也被完全反射 一般情况下，既有反射也有透射,2、平面声波斜入射时的反射与透射 斯奈尔声波反射与折射定律,声波的反射遵守反射定律： 入射线与反射线在法线的两侧 入射线、反射线和反射界面的法线在同一平面内 入射角等于反射角,声波的反射遵守折射定律： 入射线与折射线在法线的两侧 入射线和折射线在折射界面法线的两侧 入射角、折射角以及波在介质中传播的速度符合下列关系： 声波的折射是由声速决定的,当声波从一种介质传播到

9、另一种介质的界面时一部分被反射，一部分被投射，另一部分被吸收：由于物体的振动或声音在物体内部传播时介质的摩擦或热传导而被损耗，称为材料的吸收,反射系数、透射系数与吸声系数,设单位时间内入射到物体上的总声能为Eo，反射声能为Er，物体吸收的声能为Ea，透射声能为Et，则根据能量守衡定律有： Eo = Er + Ea + Et 透射声能与入射声能之比为透射系数：= Et / Eo 反射声能与入射声能之比为反射系数： = Er / Eo 将透射系数小的材料用做隔声材料，将反射系数小的材料用做吸声材料,吸声系数 a=1- =1- Er / Eo=( Ea+ Et)/ Eo a的值在01之间，吸声系数越

10、大，吸声性能越好 一般，坚硬、光滑、结构紧密的材料吸声能力差，发射能力强（大理石、混凝土、水泥粉刷墙面等） 粗糙、松软、具有互相贯穿的内外微孔的多孔材料吸声能力好，发射性能差（微孔砖、半穿孔吸声装饰纤维板、玻璃棉） 吸声系数的大小除与材料本身的性质有关外，还与声波的频率、入射方向、材料的厚度等有关,二、声波的干涉,声波的迭加原理：两列声波在空间某位置向遇迭加，合成声场的声压等于每列声波的声压之和，这是声波的迭加 声波的干涉：频率相同或相近的声波迭加时所产生的声压、能量、位移、幅值与原声波相比，具有不同的空间和时间分布的现象称为声波的干涉,驻波现象： 由两列频率相同、传播方向相反的平面声波迭加形

11、成的一种特殊的干涉现象 声压波腹处声压振幅最大，波节处声压振幅最小,声波在传播过程中遇有障碍物时，能饶过障碍物边缘变向传播的现象称为声波的绕射或衍射 （闻其声不见其人）,三、声波的绕射,惠更斯提出：声波所到达的每一点都可以看作新的波源，从这些新的波源发出新波来 （声波表面上的所有点都可以看成是能够发生球面声波的子波源，这些子波源的波阵面就是传播着的声波的新波面）,对于同样大小的狭缝或障碍物，波长越长即声源的频率越低，衍射现象就越明显 声波饶向障碍物几何影区的深度决定于障碍物与声波波长的相对大小,第二部分 听觉特性,第一节 人类听感的基本特征,一、响度:,1、人耳对声音强弱的主观感觉称为响度 2

12、、决定响度的因素主要是作用在人耳的声压或声强大小，但两者并不成正比，并且同样的声压在不同的频率时，感觉的响度也不同 大量统计表明：声压级每增加10DB，响度增加1倍,3、等响度曲线 响度级定义：将某一频率的声音与1KHz的声音比较,当两者的响度一样时, 1KHz 声音的声压级,就是该声音的响度级。,等响曲线,由等响度曲线得出的响度的特性： 频率在3KHZ到5KHZ左右的响度曲线处在最低位置，说明人耳对这一频段最为敏感； 高声压级时，等响度曲线较为平坦，说明在高声压时，各频率的听感等响基本相同； 在低频段声压级的微小变化会导致响度的巨大变化,二、音高:,1、人耳对声音调子高低的主观感觉称为音高或

13、音调、音准。 2、频率低的调子给人以低沉、厚实、粗旷的感觉，而频率高的调子给人以亮丽、明快、尖刻的感觉 3、大量实验证明，人耳对音高变化的感觉大体上呈对数关系：音高=K10F,4、频程（备注） 频带由上限频率2和下限频率1确定， 1 、2又称为截止频率 1和2的间隔可以用频率比或以2为底的对数来表示，称为频程，一般为2 =2n 1 若一个频带中， 2是1的两倍，则称其频带宽为倍频程（ n为倍频程系数，可以是整数或分数） 按倍频程均匀划分频率区间时，相当于将频率按对数关系加以标度。 频带的中心频率c是上限频率2和下限频率1的几何平均,5、音律 在乐音中，为了反映音高的规律，常用音律来表述 目前世

14、界上多种音律制中最为流行的是12平均律 6、响度对音高的影响 人耳对音高的感觉还会受到振幅的影响,三、音色：,1、人耳在主观感觉上区别相同响度和音高的两类不同声音的主观听觉特性称为音色 2、以客观的物理量来衡量，音色可与频谱相对应 3、基频波、谐波和基音和泛音 4、声音的音高取决于基频，而谐波成分则决定了该声音的音色,四、可闻声的频域特征,共振峰 频谱中连接谐波分量所形成的包络 共振峰的高度、位置和数量决定着每种乐器的特色,五、可闻声的时域特征,起振段 稳态段 衰减段,六、人耳听觉效应,掩蔽效应： 一种频率的声音阻碍听觉系统感受另一种频率的声音的现象称为掩蔽效应。 前者称为掩蔽声音(maski

15、ng tone)，后者称为被掩蔽声音(masked tone)。 掩蔽可分成频域掩蔽和时域掩蔽。,一些结论,低频声音能够有效地掩蔽高频声音，而高频声音对低频声音的掩蔽作用不大 在时间上，掩蔽声越接近被掩蔽声时，掩蔽作用越大，且后掩蔽(掩蔽声在被掩蔽声之后)比前掩蔽(掩蔽声在被掩蔽声之前)效应更为明显,“鸡尾酒会效应”(Cock Tail Effect) 当人的听觉注意集中于某一事物时，意识将一些无关声音刺激排除在外，而无意识却 监察外界的刺激，一旦一些特殊的刺激与己有关，就能立即引起注意的现象。,延时效应和双耳效应,几个在时间上先后的相同声音到达人耳时，听觉对这几个声音的分辨力特性称为延时效应

16、 当声源偏离听者的前方中轴线时，由于声音到达两耳的距离不同，听者具有对声源方位角的定位能力称为双耳效应,七、听觉疲劳与听力损失,听觉疲劳（暂时性听阈上移 ） 听力损失,第二节 立体声的听觉机理,一、立体声的特点,1、具有声像的临场感 2、具有较高的清晰度和信噪比,二、听觉定位机理,1、双耳效应 当声源偏向左耳或右耳，即偏离两耳正前方的中轴线时，声源到达左、右耳的距离存在差异，这将导致到达两耳的声音在声级、时间、相位上存在着差异。 这种微小差异被人耳的听觉所感知，传导给大脑并与存贮在大脑里已有的听觉经验进行比较、分析，得出声音方位的判别，这就是双耳效应。,细微的差异 时间差 相位差 声级差 音色

17、差,2、耳壳效应: 研究表明，人的耳壳是一个凹凸曲面，当声音到达人耳时，耳壳的各不规则曲面将对声波产生反射。 不同部位向耳内膜的反射，就形成了具有多个极短延时量的重复声。,三、声像及声像定位,1、什么是声像： 听音者听感中所展现的各声源的空间位置，并由此而形成的声画面，通常称为声像,2、哈斯效应 当两个强度相等而其中一个经过延迟的声音同时到聆听者耳中时，如果延迟在30ms以内，听觉上将感到声音好像只来自未延迟的声源，并不感到经延迟的声源存在。 当延迟时间超过30ms而未达到50ms时，则听觉上可以识别出已延迟的声源存在，但仍感到声音来自未经延迟的声源。 只有当延迟时间超过 50ms以后，听觉上

18、才感到延迟声成为一个清晰的回声。,3、双声源实验 不同程度地改变输送给两个声源同相位信号的电平或者让两个声源的信号具有不同的时间差，就可使听音者产生声源移动的幻觉，这个移动的声像也称为“虚声源”,一些结论,当两声源的声级差和时间差都相等时，听者感到声像位于两声源的中央；当某一声源的声级逐渐增大（或在时间上超前），声像将向该声源移动（15DB3MS） 当两声源的信号反相时，听者感到声像跳至两声源以外，直至饶到听者背后，可构成立体声的声像展宽 双声源再造的虚声源主要是形成左右声像，而声像的前、后深度与层次则有赖于改变信号中的直达声与混响声的比例来实现，直达声多则声像距听者近，反之则远。,第三节 听

19、觉特性对电声技术的要求,一、频率域要求,频率失真： 声信号通过电声系统时损失了某些频率成分 要求：具有很宽的频率响应,时间域要求,瞬态与稳态 瞬态失真 从两个方面来考虑，也要有一定的瞬态响应能力,非线性失真要求,设备系统的非线性 谐波分量的产生 动态范围 最强与最弱信号电平的差值 要求有较宽的动态范围,补充:声级的合成,当几个不同声源同时作用时，在某处形成的总声强是各个声强的代数和，而总声压为各声压的均方根值。 声压级、声强级、声功率级合成时，不能简单地进行算术相加，应按对数运算法则和其定义计算,计算题1,某房间内有两只音箱，在室内某点产生的声压级分别是90分贝、97分贝，求该点的总声压级？,

20、设有两个声源，在某点处声压级分别为LP1和LP2 ，且LP1 LP2 ，两个声压级之差D= LP2 - LP1 ，则叠加后的总声压级为LP= LP2 +N N值可由图表查得（如图所示）,计算题2,房间内某点在被测音箱不发音时，测得声压级为93分贝；当被测音箱发音时测得声压级为100分贝，求被测音箱在该点产生的声压级？,声级的分解,已知两个声源在某点产生的总声压级LP，若其中一个声源在该点产生的声压级为LP1，则另一声源在该点产生的声压级LP2 = LP -L，其中L可由表查出。这种方法常用来从总声压级中除去环境噪声等。,第三部分 室内声场与音质,一、 声场,自由空间 封闭空间,二、室内声场的基

21、本特征,直达声：从声源直接传播到听音点的声音 近次反射声：相对直达声延迟50ms以内到达的反射声 混响声：在近次反射声后陆续到达的经过多次反射的声音,脉冲声的时间序列,第一反射声,直达声,前期反射声,混响声,室内声场的几何图解,圆柱形反射面 椭圆弧面 抛物面 双曲线弧面 凸面,室内声场的统计分析,当声源在室内发声时，首先在室内自由传播，经过一定时间后到达接收点 经过若干时间后，又有从不同壁面先后反射过来的发射声波到达 若声源连续发声，则各反射声和入射声相继叠加，持续一段时间后，该点的声强达到稳定状态 声源停止发声后，直达声消失，反射声不断减少，直到完全消失,室内声场的波动理论,简正方式： 声波

22、在互相平行的一对刚性界面之间传播时，如果距离为半波长的整数倍，就会产生共振。 相应的频率称简正频率（或固有频率、共振频率），相应的驻波传播方式称简正振动方式，或简正方式。 由于简并现象的出现，使得室内声场中某些频率成分得以加强而产生的失真叫声染色,采取的措施,房间体积不宜太小 使房间的长、宽、高尺寸之比无理数，而不应该使房间的长、宽、高尺寸相同或呈简单的倍数关系 室内表面积的处理（研究表明，如果平均吸声系数大于0.3，则不会出现明显的简并现象）,由于室形状的复杂性或线度比例失当，声波在室内传播时，还有可能产生回声、蛙鸣等特异的声现象,三、混响与扩散,在室内声达到稳定的情况下，声源停止发声，由于声音的多次反射或散射，而使其延续的现象为混响 扩散声场的三个条件 声能密度处处相等 在室内各个方向上传递的几率相等 声波相位无规则,四、回声,声波在传播过程中，碰到大的反射面在界面将发生反射，人们把能够与原声区分开的反射声波叫做回声。,五、声波的吸收,声吸收 吸声系数 吸声量,六、混响时间的计算,当室内声源停止发声后，声音衰减的过程称为混响过程，可以用混响时间来度量 指在达到稳态