1 声学基础.ppt

1、第1章 声学基础,学习内容,本章主要讲述声学的基础知识： （1）声音特性、听觉特性及室内声学，对声学基本概念和术语加以解释，并给出有关参量的计算公式，对室内声学有关参量的计算也将作出阐述； （2）立体声基础知识，包括立体声的特点、产生的原理、系统等。,学习目标,了解声音的物理特性 理解人类的听觉特性。 了解室内声学特性；理解室内声学的主要指标。 了解立体声的概念、特点；理解立体声的基本原理和系统种类。,第1节 声音的物理特性,一、声波，声音及声音的分类 二、 声波的基本参数 三、声音的特性参数 四、声音的传播,一、 声波，声音及声音的分类 声波与声音是两个有联系，又有区别的概念。 1.声波 物

2、体的振动会引起周围媒质质点由近及远的波动，称之为声波。引起声波的物体称为声源。传播声波的物质称为媒质。声波波及的空间范围称为声场。 2.声音 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. 可见, 声音是由声源振动, 声波传播和听觉感受3个环节所形成的.,扬声器发声时，会引起周围空气的振动而产生声波，其传播方向与空气质点振动方向相同。因而，声波是一种纵波.,(1) 语音，即语言的声音，是语言符号系统的载体。 (2) 音乐是指有旋律的乐曲。 (3) 效果声，是指自然界中发生的有特殊效果的声音，例如：汽车声、鼓掌声、风雨声、打雷声、鸟鸣声等。 (4) 噪声，即噪音。 (5) 合成声音，由计算

3、机通过一种专门定义的语言来驱动一些预制的语言或音乐合成器产生，如MIDI 声音。,3.声音的分类,二、 声波的基本参数 1.声波的频率 声波的频率就是声源振动的频率，即每秒钟内来回往复振动的次数。频率的单位通常用Hz（赫兹）来表示，简称赫。声波的频率对人耳的听觉感受影响很明显。按照声波的频率不同，声音可以分为次声波、超声波、人耳可听声三种。 人耳可听频率范围（听域）为20Hz20KHz， 20KHz为超声。,声音频率分布,2. 声波的周期 一个声波完成一次振动所需要的时间称为周期，用符号T表示，单位通常为秒（s）。周期与频率是互为倒数关系。,3.声波的波长 声波的波长是指声波在一个周期的时间内

4、传播的距离。 c=f 4.声波的振幅 声波的振幅是指振动物体离开平衡位置的最大距离。 5.声波的相位 描述信号波形变化的度量，单位度（相角），波形循环一周即为360度,波长,三、声音的特性参数 1.声压和声压级 有声音存在时，大气压强会有微弱的起伏 变化，我们将 此压强的变化量称为声压，以p表示，单位为a，a=1N/m2 使大多数人产生听觉现象的最低声压是10-5 Pa用r表示 实验证明：人耳对声音强弱的感觉是与声压的对数成正比的，这就是著名的韦伯定律。因此引入声压级的概念，定义为： Lp=20lg(P/Pr),常见声源的声压级,2.声强与声强级 单位时间内通过与指定方向垂直的媒质单位面积的声

5、能量称为声强，用表示单位：m2 人耳对声波强弱的感受大致上和声强（或声压）的对数成正比例。为适应人耳听觉这一特性及计算方便，我们常将两个声波的强度（或声压）之比取对数来表示其声波的强弱，并用dB来表示。 例如，一个声波的强度为IA，另一个声波的强度比IA强1000倍,则这两个声波的强度差别用dB表示为10lg（I2/I1）= 10lg（1000I1/I1）=30 dB,与基准声压相对应，人耳可以感受的最低声强为10-12W/m2，我们称之为基准声强，用Ir 表示。 我们将待测声强与基准声强的比值取对数，称为声强级，用符号表示 10lg(I/Ir) I是声强, Ir 是基准声强,为10-12m

6、声强和声压都可以表示声场中声音的强弱。但声强指的是单位面积上穿过的声能，而声压是单位面积上的力。在实际使用中，声强不易直接测试，但通常可以用测得的声压来换算。声强与声压的平方成正比。,四、声音的传播 1.声波的反射 声波从一种媒质进入另一种媒质的分界面时，会产生反射现象。例如声波在空气中传播时，若遇到坚硬的墙壁，一部分声波将反射。,2.声波的衍射 当声波遇到障碍物时，会有一部分声波绕过障碍物而继续向前传播，这种现象称为绕射, 又称衍射。绕射的程度取决于声波的波长与障碍物大小之间的关系。,频率越高越难产生衍射； 当障碍物的尺寸小于5时，声波会绕过障碍物； 当障碍物的尺寸为510时，一部分声波会绕

7、过障碍物； 当障碍物的尺寸接近30时，声波几乎完全会被障碍物遮挡。,第2节 人耳的听觉特性,一、人耳的听觉范围 二、声音三要素 三、人类的听觉效应,声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，然而并非所有声波都能被人耳所感知（听觉）时，即使人耳能感知到声音，其感觉也各有不同，因为人的听感是一个非常复杂的物理生理心理过程。 这说明，声音虽然由振动产生而客观存在，但是它给予人的主观感受却与客观实际上有一定差距，甚至还可能会产生“错觉”，这就是本节所要讨论的人的听觉特性。,一、人耳的听觉范围 1. 频率范围：20Hz-20kHz 2. 声压级的范围 人耳对不同频率的声音在相同声压时的感觉不同 听阈：210-

8、5 Pa（0dB） 痛阈：2101 Pa（120dB）,超声波是指任何声波或振动，其频率超过人类耳朵可以听到的最高阈值20千赫。超声波由于其高频特性而被广泛应用于众多领域，比如金属探伤、工件清洗、医学透视等。 频率小于20Hz（赫兹）的声波叫做次声波。次声波不容易衰减，不易被水和空气吸收。而次声波的波长往往很长，因此能绕开某些大型障碍物发生衍射。某些次声波能绕地球2至3周。,二、声音三要素 人对声音的感知有响度、音调和音色三个主观听感要素,三者共同决定了声音的音质。 人的主观听感要素与声波的客观物理量：声压、频率和频谱成分之间既有着密不可分的联系，又有一定的区别，体现了人类听感是个复杂的生理与

9、心理的运动过程。,1. 响度 人耳对声音强弱的主观感觉称为响度（单位sone）。它是与声波振幅这个物理量相对应的心理量。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，且同样的声压在不同频率时，感觉的响度也不同。 声学上采用响度级表示和区别不同的响度：频率为1kHz、声压级为40dB时的响度为1宋。将一个声音与1kHz的纯音作比较，当听起来两者一样响时，这时1kHz的纯音的声压级数值就是这个声音的响度级，单位是方(phon)。,等响曲线是反映人耳对声压的主观感觉的曲线。,等响度曲线的特性及应用,表明了不同频率的声波产生同样响度时所需要的声压（声强）级数。 低声压级时，人耳对中

10、频（ 3kHz-5kHz ）的响度感觉最灵敏，而在此范围之外的响度感觉逐渐变弱。 随着响度的增加，频率对响度的影响越来越小，达到100方时，各频率的声压级几乎相同。 高保真扩音机都装有等响度（loudness）控制电路，音量小时，按照等响曲线提升低、高频，反之则不提升。,2.音调也称音高，是人耳对声音调子高低的主观感觉。主要取决于声音的频率，随着频率的增多而增高，但它与频率成对数关系。 对不同的频段，人耳对音调的辨别能力不同，中频段最灵敏，高频段和低频段较差。对于1kHz左右的声音，可分辨2-3Hz的变化。,音高频率唱名键盘位置关系,3.音色 人耳对声源发声特色的主观感觉。它是人的听觉上区别具

11、有同样响度和音调的两个声音之所以不同的声音要素，也称为音品。 音色是有声音波形的谐波频谱结构和包络决定的,音色声音的包络1,声音的包络，就是指乐音（或声音）中的每个频率（振幅）周期巅峰间的连线。 声音的包络分为起音（Attack）、衰减（Decay）、延持（Sustain）、消逝（Release，或译为消释），每个价段的不同特征对声音特征有明显的影响。因此，包络有时又可称为ADSR（即Attack、Decay、Sustain、Release的缩写）。 每个声音都有从起音到延持直至衰减、消逝的过程，因此，波形包络的形状对声音特征起决定性影响，并将给一个声音的音色赋予个性化的特征,Attack,D

12、ecay,Sustain,Release,音色声音的包络2,起音（Attack），决定声音从开始发出到最初的最大音量所需的时间长短。在打击乐音色里这部分当然要很短。 衰减（Decay），是在声音达到最大音量后立即发生衰减的时间长短，衰减后的音量大小就是后面保持的音量大小。 延持（Sustain），决定在衰减后音量保持的长短，形象地说当你按下键不松手，持续发声时的音量大小就是延持决定的。 消逝（Release），是声音最后的价段，代表着声音从保持的音量逐渐衰减到0电平（最小音量）的时间长短。,实际上，人们听到的声音大多是由基音和谐音构成的，谐音的多少和强弱（频谱结构）则构成不同的音色。 频谱：表

13、示某种声音 频率成分及其声压级组成情况的图形,音色声音的谐波1,分立谱,连续谱,音色声音的谐波2,如：每个人讲话都有自己的音色，各种乐器演奏同一曲调时，人们也能区别出各种乐器特有的音色 如：钢琴和黑管,当黑管和钢琴发出等响度且基频同为100Hz的乐音时，我们完全能分辨出这是两中截然不同的乐器发出的声响，绝不会混淆，就是因为它们不同的谐波分量。 两种乐器产生的声音尽管基频相同，它们谐波成分的大小和分布却不尽相同。人耳正是根据频谱分布的不同特点得出足以区分声源的综合印象来,音色声音的谐波3,低频泛音丰富，音色浑厚、坚实、有力,中频泛音丰富，音色圆润、和谐、自然,高频泛音丰富，音色明亮、清透、纯净,

14、各频段声音对听觉的影响,三、人类的听觉效应,.掩蔽效应,人耳对一个声音的听觉灵敏度因为另一个声音（称为掩蔽声）的存在而降低的现象，称为掩蔽效应。,听阈的提高,听阈的提高的分贝数，称为掩蔽量,提高后的听阈称为掩蔽阈,频率相近的纯音掩蔽效果显著； 掩蔽音的声压级越高，掩蔽量越大，掩蔽的频率范围越宽； 低频音对高频音掩蔽作用大，高频音对低频音掩蔽作用小；,弊：听不清要听的内容，降低工作效率 利：避免一些噪声的干扰，提高工作效率,有利有弊,用作掩蔽声的要点,适合的掩蔽背景声的特点 无表达含义 响度不大 连续 无方位感 掩蔽背景声 低响度的空调通风系统噪声往往是很好的掩蔽背景声 轻微的音乐声 隐约的语言

15、声,2.哈斯效应（优先效应）,实验证明，人的听觉有先入为主的特性。哈斯效应就是由哈斯发现的，人们不能分辨出来某些延迟音的现象。 当两个强度相等而其中一个经过延迟的声音一同传到人耳时： 延迟时间30ms ,听觉上感到声音只是来自未经延迟的声源 延迟时间为30ms50ms ,可以感到延迟声的存在，但仍感到声音来自未延迟的声源 延迟时间50ms，延迟声就不能被掩盖，听觉上会感觉到延迟声是个清晰的回声 人耳的这种特性也是产生听觉定位的重要因素,第3节 室内声学,一、室内声波的传播特性 二、室内声学的主要指标,声场,声源以及接收器所处的空间： 1.自由空间：消声室，不存在反射声。 2.封闭空间：室内空间

16、。 1.自由声场。 2.混响声场。,一、室内声波的传播特性 当一声源在闭室发生时，声波将向四周辐射，遇到墙面和顶、地板时被吸收了一部分，另一部分将反射回来，反射回来的声波遇到墙面等再将被吸收，再次反射如此下去，在室内形成一个很复杂的声场。,接受点接收的声波有三部分组成： 直达声：声源直接到达接受点的声音。声压级的衰减与距离的平方成反比。 近次反射声：相对直达声延时小于50ms的反射声。 混响声：延时超过50ms以后到达接受点的多重反射声。 直达声不够，声音缺乏亲切感；反射声影响声音的清晰度；混响声主要影响声音丰满度。,直达声,近次反射声,混响声,室内声波的传播状态,室内声学的研究方法,波动理论

17、；很大局限性。 几何声学用声线概念代替声波概念，声线具有明确的传播方向，沿直线传播，反射角等于入射角，不考虑衍射和绕射。 统计声学；对平均情况作统计描述的近似理论。得出声场总体特性的简单公式，很强的实用性。,室内声场的统计分析1,声源以一定的声功率持续发声，随着时间t的增加，室内的声能密度逐渐增长。在持续到某一时间之后，室内声压级达到稳态。在声场达到稳态后，声源停止发声，此时室内的声能密度随时间t的增加而减小，直到趋近于0，这就是声衰减过程，也称为混响过程。,室内声场的统计分析2,混响：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。 当声源以声线的方式在室

18、内辐射声能时，由于室内声的传播完全处于无规状态，以至于从统计学的观点可以认为声线通过任何位置的几率是相同的，通过的方向几率也是相同的，并且在同一位置各声线相遇的相位是无规的，由此而造成室内声场的平均能量密度分布是均匀的。这种统计平均的均匀声场称为扩散声场。,扩散声场的条件： （1）声以声线的方式以声速直线传播，声线所携带的声能向各方向的传递几率相同； （2）各声线是互不相干的，声线在叠加时，它们的相位变化是无规的； （3）室内平均声能密度处处相等。,室内声场的统计分析3,房间噪声是直达声和混响声的混合声。直达声与距离有关，距离声源越远，声音扩散的面积越大，直达声越小，直达声的方向源于声源。混响

19、声是反射形成的，弥散于房间各处，方向没有规则，可以认为房间中所有位置的混响声具有相同的声压级。 因此，在房间中声源某距离的位置上的直达声与混响声会具有相同的声压级，这个距离被称为混响半径。混响半径是房间的属性，与房间吸声情况有关，与声源无关。 以声源为中心，小于混响半径范围内的声音主要是直达声，如果进行降噪处理，主要要降低直达声。在混响半径以外的区域，主要是混响声，房间表面加装吸声材料后可以大大降低混响声，降噪效果比较明显。,回声现象,当听者能把反射声与直达声辨别开来时，便会产生回声。 产生条件反射声延时50ms以上；与混响不同，混响声是一系列时间间隔不同，但均不可辨认（时间间隔很短）的反射声

20、序列，而且在方向上也是无规则的。,a.后墙反射产生回声,b.后墙安装吸声材料可避免回声,c.锯齿形后墙产生有效扩散,5-6-3 不同后墙处理的声学效果,二、室内声学的主要指标 1.混响时间 Reverberation Time（RT）,混响时间是衡量房间混响程度的量。 某频率的混响时间：当声源连续发声至声场达到稳态后，从声源停止发声开始，声压级衰减60dB（平均声能密度衰减到原始值的百万分之一）所需的时间，用T60表示。,0.161-与湿度有关的常数V-闭室的容积,S 室内总面积， 房间内表面的平均吸声系数。,赛宾公式,影响混响时间的因素 室内吸声量：越大， T60 越短； 房间容积：越大，

21、T60越长。,吸声系数：衡量吸声材料吸声能力的大小，指界面吸收声波的能量与入射声波总能量的比值。,吸声量：吸声面积与该面积的吸声系数的乘积。,平均吸声系数：,（声强表示）,赛宾公式存在缺陷，当 T60应趋于0,伊林公式,4m:空气吸收系数，空气吸收=4mV当频率取=2KHz时，一般地，4m与湿度温度有关， 通常取相对湿度60%,温度20oC时，4m为2KHz0.009 4KHz 0.022,1kHz以下频段,1kHz以上频段,混响时间计算的不确定性,室内条件与原公式假设条件并不完全一致。1）室内吸声分布不均匀 2）室内形状，高宽比例过大 造成声场分布不均匀，扩散不完全 计算用材料吸声系数与实际

22、情况有误差一般误差在10%15% 计算RT的意义：1）“控制性”地指导材料的选择与布置。2）预测建筑室内的声学效果3）分析现有的音质问题,混响时间过短，声音会发干；过长，声音会拖尾。 混响时间与频率有关T60（f）频率特性。 不同音源要求T60不同的频率特性，语言信号，要求高端可适当提高，而低端则不宜过高，否则嗡嗡声明显；音乐信号的混响时间在频率的高、低端都可以比中频段的长。这样，低端可增加声音的丰满度，高端可增加声音明亮度。 评价一个房间混响效果是否合理，还要考察声扩散度。扩散好，声音衰减平滑，室内各处感觉均匀。,2.本底噪声 室内不放声源时的噪声声压级。演播室=25dB; 居民区白天=55

23、dB.如本底噪声较高，可采用隔声、隔振办法降噪或在室内铺一定吸声材料进行吸声。 3.声染色 信号传输过程中，由于某种原因使声源中某一频率得到过分地加强或减弱，破坏了房间内音响效果的均匀性.改善的方法通过调整装修使房间的长、宽、高之比为无理数，另外,室内物品摆设要避免对称性。10-30m2，80-300Hz。,4.房间常数 房间常数反应房间吸声特性。 5.混响半径,第4节 立体声基础,一、基本概念 二、立体声的特点 三、立体声原理 四、立体声系统,一、基本概念 1.立体声的定义 自然界的声音就是立体声。 立体声是指人感到声源分布在空间的声音，使听到的声音具有空间感、远近感及临场感。 立体声系统是

24、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空间位置的声音传输系统。,2. 立体声的两个要素：方位感和临场感 在音乐厅中，聆听者听到的立体声由三部分声音组成：即直达声、反射声和混响声。 直达声能够帮助人们确定声源的方位； 反射声给人以空间感，可以感觉音乐厅的空间大小；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，综合形成环境音响气氛，即产生所谓临场感。,二、立体声的特点 （1）具有明显的方位感和分布感。 单声道放音时，声音是从一个点发出的，即使声源是一个乐队的演奏，聆听者仍会明确的感到声音是从扬声器一个点发出的。而多声道重放立体声时，聆听者会明显的感到声源分布在以个宽广的范围，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象，简称声像。,（2）具有较高的清晰度 用单声