声学基础傅建波

1、声学基础,声学基础知识,声音是如何产生的,振动的物体能使邻近的空气分子振动，这些分子又引起它们邻近的空气分子振动，从而产生声音，声音以声波的形式传递，这种传递过程叫声辐射。由于分子振动产生的声波的方向与波传递的方向相同，所以是一种纵波。 声音必须在介质中传播，无论是固体、液体还是气体，都可以作为介质。,声音的基本性质,“声”由声源发出，“音”在传播介质中向外传播。,声音在固体中的传播速度最快，其次是液体，声音 在气体中传播的速度最慢。,声波的基本量,f：频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）频率高的声音称为高音，频率低的声音称为低音。,：波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位m(米)

2、。声波完成一次振动所走的距离。,C：声速，声波在某一介质中1秒钟传播的距离。单位m/s。 声速受温度的影响，用下式表示为：C=331.5+0.6t (m/s),声音是声波作用于人耳引起的主观感受，人耳对声波频率的主观感觉范围为20Hz20kHz，通常称此范围为音频；低于20Hz为次声波，高于20kHz为超声波。,波长公式,声波的基本量,=c/f,波长声速/频率,通过计算波长我们可知道最高可听声和最低可听声的范围,声音的三要素,响度又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB140dB。,音高也称音调，表示人耳对声音调子高

3、低的主观感受。客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹(Hz)表示。,音色又称音品，由声音波形的谐波频谱和包络决定。声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。,音色,音高,响度,声音的叠加,单频率的正弦波称为纯音，声音是由基波和高次谐波组成,当两上或多个具有相同频率和振幅的正弦波信号叠加在一起，其合成的信号还具有同样的频率，其振幅由两原信号的相位关系所决定。当相位相同，振幅则会增加。当两个信号完全相反时，则全部抵消。,声压级,实验证明，声功率增至2倍，感觉声音增加3分；声功

4、率增至10倍，感觉声音增加10分；声功率增至100、1000、10000倍，感觉声音增加20分、30分、40分。这种规律恰好同数学中的“对数”相符。 lg 2 = 0.3 lg 10 = 1、 lg 100 = 2 、 lg 1000 = 3 2倍/3分 10倍/10分 100倍/20分 1000倍/30分、,因此引入声压级的概念，级水平（LLevel) 符号 SPL / 单位为 贝尔 Bel；细分十份，称 分贝 dB. 1B = 10 dB L=10 lg (P/P0)2 =20 lg (P/P0) dB P0 闻域声压 即 2010 - 6 Pa,仅可听闻的 声压级 为 L= 20 lg

5、(2010 - 6 /P0) = 20 lg (2010 - 6 / 2010 - 6 ) =0 dB 震耳欲聋的 声压级 为 L= 20 lg (20/P0) = 120 dB,分贝,分贝（decibel）dB 分贝是以美国发明家贝尔命名的，他因发明电话而闻名于世。因为贝尔的单位太粗略而不能充分用来描述我们对声音的感觉，因此前面加了“分”字，代表十分之一。一贝尔等于十分贝。声学领域中，分贝的定义是声源功率与基准声功率比值的对数乘以10的数值;其简单表达式lgA/B。而分贝，即dB10 lgA/B。单位为dB。根据公式计算以及工作中的经验，我们得出以下结论。,在电声领域中，分贝这个量的变化关系

6、恰恰和人耳的听觉强弱感受非常吻合，这也给声学计算打下了一个良好的基础。,功率增加一倍，声压增加3dB。,距离增加一倍，声压减少6dB(自由声场的情况下),声压级计算公式,所有音响工程都要求声场应达到一定的声压级，参照国家标准。为此，必须正确配置扬声器选用合适的扬声器、馈给适当的声频电功率、把扬声器（或扬声器群）安装在合适的地方,听音点声压级(L)的计算公式（自由空间点声源） M = S + 10 lg P L = M 20 lg r 式中 S - 扬声器灵敏度 P - 馈给扬声器的功率 r - 扬声器与听音点的距离 M - 扬声器的最大声压级,参照音箱资料，进行计算练习,举例计算,最大声压级计

7、算公式为； 音箱最大声压级（SPL）=音箱的灵敏度（1W/m） 10log音箱的额定输出功率，也就是音箱的输出声音大小是由音箱的额定功率与音箱的灵敏度共同决定的。 例如：某音箱（100w,灵敏度90 dB）代入上式；音箱最大声压级（SPL）=90（1W/m） 10log100=110dB 某音箱（200w,灵敏度87 dB）代入上式；音箱最大声压级（SPL）=87（1W/m） 10log200=110dB从以上计算可看出，100w,灵敏度90 dB的音箱与200w,灵敏度87dB的音箱放出来的声音一样大。 以上的是距音箱1米处的声压级，在计算距离音箱多少米处的声压级的为；音箱的最大声压级减去距

8、离的函数，计算公式为； 距音箱某米处的最大声压级（SPL）=音箱最大声压级（dB）-20log距离（米） 例如；计算上面的音箱距离10米处的最大声压级，代入上式；距音箱10米处的最大声压级（SPL）=110（dB）-20log10（米）=90dB,公式应用,以上两个公式解决扩声设计的重大问题！ 1、功放和音箱的搭配，这是科学的计算方法 没有推不动（功放功率小于音箱）和功率过大的问题 只有你要多大声压级！ 常规经验搭配：功放功率是音箱的1.5-2倍 2、音箱选型，就是计算声压级的过程 看着设计目标和国家标准中的最大声压级，用公式计算 太复杂的系统，交给EASE去计算！,扩声系统指标效果 客观：A

9、、够响吗？声压级 B、所有人都能听到吗？覆盖范围、均匀度 C、听得清楚吗？清晰度 D、反馈回授吗？传声增益 主观：声音好听吗？舒服吗？音色、音质,厅堂扩声系统声学特性指标GB50371-2006 表4.2.1文艺演出类扩声系统设计的声学特性指标,常见声源的声压级-分贝,窃窃私语：20dB35dB,人声语言：30dB80dB,女高音：35dB105dB,男高音：40dB95dB,小提琴：40dB100dB,打击乐：55dB105dB,交响乐：20dB120dB,本底噪声,在厅堂声学设计中，本底噪声是指房间内部自身振动或外来干扰而形成固有的噪声，大小仍以声压级dB的方式表示。,厅堂的本底噪声是建筑

10、声学设计以及专业音响工程需要涉及和控制的一个基本物理量，它的大小、处理方式对厅堂的声学环境有着重要意义。,由于本底噪声主要来自于外界环境噪声和振动、设备噪声和振动两个方面。在音响工程中，这两方面的内容都会不同程度上的涉及：一是在建筑上进行隔声，二是在设备上降低噪声。,十一、各种场所的噪声级,声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。,声波的绕射,当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时，声波将被反射。类似于光在镜子上的反射。,声波的反射,反射的规则：,1）入射线、反射线法线在同一侧。 2）入射线和反射线分别在法线两侧。 3）入射角等于反射角。L

11、i=L,声波的反射,室内声音反射的几种情况,当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，形成扩散。,声波的散射,声波的透射与吸收,声波具有能量，简称声能。 当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。,透射系数： 反射系数： 吸声系数：,不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。,声音在室内传播,当一个声源在室内发声，任一点听到的声音按照先后顺序分为直达声、早期反射声和混响声。,声音在室内传播,直达声,混响声是指声源

12、发出的声波经过室内界面多次反射，迟于早期反射声到达听音点的声音。,直达声是室内任一点直接接收到声源发出的声音，是接收声音的主体，不受空间界面的影响。,早期反射声,早期反射声是指延迟直达声50毫秒以内到达听音点的反射次数较少的声音，包括一次、二次或少数三次反射声。,混响声,混响时间,V:房间的容积,单位为立方米(M3) S:房间表面积的总和,单位为(M2) :房间表面的平均吸声系数,百分率， =S1a1+S2a2+SnanS1+S2+SN S1Sn和a1an：分别代表房间表面的每个面的面积和它们的吸声系数,混响时间（Reverberation Time），表示声音混响程度的参量，声源停止发声后，

13、声压级减少60分贝所需要的时间，单位为秒。用T60或RT表示 。,混响时间过长，会使声音含混不清；合 适时声音圆润动听。,房间的 混响长短是由它的吸音量和体积大小所决定的，体积大且吸音量小的房间，混响时间长，吸收强且体积小的 房间，混响时间就短。,混响时间过短，声音发干，枯燥无味，不亲切自然。,混响时间,参考混响时间,回声,比听到直达声迟50毫秒以上，可以从直达声中分离出来的反射声叫做回声。,混响是来自于很多的反射声，听到的是连续的衰减声音。,回声是可以清晰的分离出来听到的反射声。,回声使声音的清晰度明显下降，房间越大，墙壁反射性越强越容易产生，增加墙壁的吸声能力，改变墙壁的角度可以防止回声。

14、,语言清晰度（可懂度）,语言清晰度和可懂度是语言经过传输，受到各种失真（处理）和干扰后，能够听清或听懂的程度。,目前，经常使用的清晰度的评价方法叫做STI。这种测量方法的特征是计算自声源连续发出声音的直达声，经过各种各样的反射，以及噪声的干扰程度，并用01的数值表示听取的难以程度。,0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1,不良,不可,可,良,优,语言清晰度和其它声学概念的关系,语言清晰度和可懂度的关系,单句可懂度高于单词可懂度。,语言清晰度和声压级的关系,在一定声压级范围内，语言清晰度是随声压级的增大而提高的，但达到一定值后，声压级的增大反而会使清晰度下

15、降。,语言清晰度和信噪比的关系,在背景噪声较强的情况下，利用一定的手段提高信号的信噪比，可以使语言清晰度得以提高。,声聚焦：由于室内存在的凹面，使部分区域的声音汇集在某一个焦点上，从而造成室内声场分布不均匀的现象。,房间的特殊声学现象,死点：由于声音的聚焦或干涉形成某点（或某区域）声音严重不足的情况。,声影区：由于建筑物或折射的原因，造成声音不能辐射到的区域。,声染色：由于房间频率相应的问题，原始声音在传播过程中被赋予了额外的声音特征。,倍频程：通常将可闻频率范围内2020KHz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十一个，为：16 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4K

16、8K 16K,倍频程,1/3倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 .,高频,频谱与音质的关系,声音的高频成分多，表现出声音明亮、清晰、锐利。高频成分过多，声音就会刺耳、有丝丝声，轮廓过于清楚，声音硬、缺乏弹性；高频成分适中，则声音开阔、活跃、透明清晰、自然，但是可能细节过分清楚；高频成分少，声音圆润、柔和、丰满，但是明亮度下降。动态出不来、沉重、浑浊。,中频,频谱与音质的关系,声音的中频主要包括中高频和中低频，中频成分多时，声音表现有力、活跃清晰、透亮；中

17、频成分过多，声音动态出不来、浑浊有号角声，鸣声（500800Hz）、电话声（24kHz）、刺耳声（47kHz）、金属声（35kHz）；中频成分适中，声音自然、中性、圆滑、悦耳，但声音可能无活力、平淡；中频成分过少，声音圆润柔和，但是显得松散。,低频,频谱与音质的关系,声音的低频成分多，声音有气魄、厚实、有力、有温暖感、柔和、圆润、丰满；低频成分过多，声音浑浊、沉重、有隆隆声；低频成分适中，声音丰满低沉、坚实；低频成分过少，声音可能会比较干净，但是单薄无力。,人耳听觉特性和有关问题,声音是一种物理现象，人耳听到后的感受则是一种心理现象。人耳具有分辨声音的强度、音调及音色的能力，还能够分辨出声像的

18、方向和深度，并感受到空间感及纵深感。,听觉范围,最高最低频率可听极限一般地，青少年2020KHz,中年3015KHz,老年10010KHz。,最小最大可听极限人耳有一定的适应性，常人上限为120dB,经常噪声暴露的人有可能达到135140dB。下限频率与频率有关。 最小可辩阈（差阈） 声压级变化的察觉： 一般是1dB 3dB以上有明显感觉 频率变化的察觉： 一般是3%，低频时3Hz。,听觉定位,人耳判断声源的远近比较差，但确定声源的方向比较准确。,人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对时间差和强度差进行判断。,人耳的水平方向感要强于竖直方向感。,通常，频率高于1400Hz强度差起主要作用；低于1400Hz时，时间差起主要作用。这就是人为什么对蚊子的定位比较准而对电话铃声的定位比较差的原因。,人耳特性,哈斯(Hass)效应,人耳有声觉暂留现象，人对声音的感觉在声音消失后会暂留一小段时间。 如果到达人耳的两个声音的时间间隔小于50ms（17m），那么就不会觉得声音是断续的。 直达声到达后50ms以内到达的反射声会加强直达声。直达声到达后50ms后到达的“强”反射声会产生“回声”哈斯效应。 根据哈斯效应，人耳在多声源发声内容相同的情况下，判断声源位置主要是根据“第一次到达”的声音。因此，剧场演出时，多扬声器的情况下要考虑“声象定