第一章-音响工程基础知识——声学基础

第一章 声学基础北京联合大学北京联合大学 音响工程技术课程组音响工程技术课程组4/14/2024第一节 声波一、声波的产生与传播二、频率、声速和波长三、频程四、声波的特性4/14/2024一、声波的产生与传播一、声波的产生与传播声波的产生4/14/2024一、声波的产生与传播一、声波的产生与传播点声源的传播4/14/2024声音的传递声音的传递4/14/2024二、频率、声速和波长二、频率、声速和波长振动体每秒振动的次数称为频率，用符号f表示，频率的单位是赫兹（Hz），简称赫。声波在传声介质中，每秒钟传播的距离称为声波的传播速度，简称声速，用符号c表示，单位是米/秒（m/s）物体或空气分子每完成一次往复运动或疏密相间的运动所经过的距离称为波长，用符号表示，单位是米4/14/2024频率、波长和音调对照表 频率（Hz）波长（m）音域分段2017.20超低音408.60506.88低音1003.442001.72中低音4000.865000.68810000.344中高音50000.0688100000.0344高音200000.01724/14/2024三、频程三、频程在声学测量中，不可能测量这个范围中的每一个频率，而总是在某一频率区间取特定值进行测量。这个频率区间称为频带。频带由上限频率f2和下限频率f1确定，f1、f2又称为截止频率。f1、f2的间隔可以用频率比或以2为底的对数表示，称为频程。4/14/2024上限和下限截止频率的一般关系 式中：n为倍频程的系数，或称倍频程数，它可以是分数或整数。例如：n=1/3即指1/3倍频程；n=1即指倍频程。4/14/2024中心频率频带的中心频率fc是上、下截止频率的几何平均，即4/14/20241/3倍频程和1/1倍频程的中心频率和带宽 4/14/20241/3倍频程和1/1倍频程的中心频率和带宽 4/14/2024四、声波的特性四、声波的特性声波在室内的反射、吸收、透射和绕射现象 4/14/2024波的性质 判别的关键在于障碍物的尺寸l与波长的比值。当l时，粒子性为主；当l时，两种性质在一定情况下都会表现出来，此时情况比较复杂 4/14/2024声波的衍射(a)声波的绕射 (b)小障板对声传播的影响4/14/2024声波的反射 4/14/2024声波的透射与吸收 根据能量守恒定律，设单位时间内入射到物体上的总声能为Eo，反射的声能为Er，物体吸收的声能为Ea，透过物体的声能为Et，则：Eo=Er+Ea+Et 4/14/2024吸声系数 从入射波与反射波所在的空间考虑，定义材料的吸声系数为 吸声系数的值越大，吸声性能越好 4/14/2024房间的平均吸声系数 4/14/2024声波的干涉 若两个频率相同、振幅相等、相位差为零或恒定的波在同一介质中传播，则在空间某些地方振幅最大，在某些地方振幅最小，这种现象称为波干涉现象，这两个波叫相干波。当振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加时，就产生驻波 4/14/2024声源的指向性 人说话时的指向性图案 声源的指向性4/14/2024声源的指向性4/14/2024指向性的影响4/14/2024第二节第二节 声波的度量声波的度量声压、声强、声功率声压、声强、声功率声压级、声强级和声功率级声级的叠加4/14/2024一、声压、声强、声功率一、声压、声强、声功率由声波引起的压强变化称为声压，用符号P表示，单位为微巴(bar)或帕（Pa）声源在单位时间内向外辐射的声能量叫做声功率，用符号W表示，单位为瓦（w）声场中某点的声强，是指在单位时间内（每秒钟），声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量，用符号I表示，单位为瓦/米2（w/m2）4/14/2024平方反比定律 在无反射声波的自由声场中，点声源发出的球面波，均匀向四周辐射声能，因此，距离声场中心为r的球面上的声强为 4/14/2024二、声压级、声强级和声功率级 人的听觉与声压、声强不是呈正比例关系，而是近似的与它们的对数值成正比用声压或声强来表示声音的强弱，数字太长，很不方便常采用按对数方式分级的办法作为表示声音大小的常用单位，这就是声压级、声强级和声功率级4/14/2024级级：对数概念，无量纲单位，为表示方便，以dB为单位系数：用于扩大计算值的表示范围，对于力、长度单位，取值为20，对于能量概念，取值为10 公式计算值会因参考值的变化而变化4/14/2024声压级（Lp或SPL）（dB)式中，参考声压Pref=210-4（bar）=210-5（Pa），为1kHz时的闻阈声压值 4/14/2024声强级（LI或SIL）式中，参考声强Iref=10-12（w/m2）为1kHz时的闻阈声强值 4/14/2024声强级与声压级关系 由于声强与声压存在着关系I=p2/c，将其代入式中得 4/14/2024声功率级（Lw或SWL）式中，参考功率Wref=10-12（w）为1kHz时的闻阈声功率值 4/14/2024三、声级的叠加 在工程设计和检测中，经常需要进行声级的叠加或分解，如计算多个声源的总声级、给定的倍频程或1/3倍频程声级的总声级等 4/14/2024声压的叠加 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，即I=I1+I2+In，而总声压（有效声压）是各声压的均方根值。即4/14/2024声级的叠加声压级、声强级、声功率级叠加时，不能简单地进行算术相加，应按对数运算法则进行计算 4/14/2024n个声压相等的声音叠加 若n=2，则 4/14/2024两个不等的声压级LP1和LP2（设LP1LP2）叠加（dB）4/14/2024利用图表计算声压级叠加 设有两个声源，声压级分别为LP1、LP2，且LP2LP1，两个声压级之差D=LP2-LP1（dB），则叠加后的总声压级为（dB）式中，N值可由下图或右表查得 LP1-LP200.10.20.30.40.50.60.70.80.901234567891011121314153.02.52.11.81.51.21.00.80.60.50.40.30.30.20.20.13.02.52.11.71.41.21.00.80.60.52.92.52.11.71.41.20.90.80.60.52.92.42.01.71.41.10.90.70.60.52.82.42.01.61.41.10.90.70.60.52.82.31.91.61.31.10.90.70.60.52.72.31.91.61.31.10.90.70.60.52.72.31.91.51.31.00.80.70.60.42.62.21.81.51.21.00.80.70.50.42.62.21.81.51.21.00.80.70.50.4注：表中“”表示同左4/14/20244/14/2024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级中除去环境噪声等 L0-L112345678910L（dB）6.94.4 3.02.31.7 1.25 0.95 0.750.60.454/14/2024第三节第三节 听觉的主观感受听觉的主观感受一、响度一、响度二、音调二、音调三、音色三、音色4/14/2024一、响度一、响度 响度是人耳对声音强弱的主观感受，用符号S表示 4/14/2024等响度曲线 4/14/2024说明（1）响度级与声压级有关。（2）等响度曲线在声压级的值低时变化快，斜率大，而在高声压级时就比较平坦，这种情况在低频时尤为明显。（3）不同的频率，响度级的增长率各不相同4/14/2024声压级与响度感觉 声压级的变化响度感觉1 dB几乎觉察不出来3 dB刚可觉察5 dB明显改变10 dB响度加倍（或轻一半）4/14/2024计权网络 4/14/2024人耳的听觉范围 4/14/2024强度差阈最小可辨别的声压级差 声压级高于听阈的dB数纯音频率 fHz白噪声357020010004000700010000510203040506070809010011072443l272176422238154104075061067475344193124086068053045041041303235146100072053011033029029029025248170097068049041029025025021021405283149090068061053049045041472334170110086075068061057180120047044042041041当频率约为1000Hz而声压级超过40dB时，人耳能觉察到的频率变化范围约为03；声压级相同，但频率少于1000Hz时，人耳能觉察到3Hz的变化 4/14/2024二、音调 人耳对声音高低的感觉称为音调 音调与声音的频率、持续时间、声压级及温度有关 4/14/2024三、音色三、音色音色主要决定于声音的频谱结构乐器的音色主要取决于乐器本身的特性和质量，同时还与演奏的方式、听音方位、演奏技巧有关一般来说，泛音多，且低次泛音的强度较大，音乐就优美动听，音色就丰富4/14/2024第四节 人耳的听觉特性 一、掩蔽效应二、双耳效应（方位感）三、哈斯效应4/14/2024一、掩蔽效应一、掩蔽效应一个声音的听阈因另一声音的存在而提高的现象，称为掩蔽效应假设听清声音A的阈值为40dB，若同时又听见声音B，这时由于B的影响使A的阈值提高到52dB，即比原来高12dB。这个例子中，B称为掩蔽声，A称为被掩蔽声。被掩蔽声听阈提高的分贝数称为掩蔽量，即12dB为掩蔽量，52dB称为掩蔽阈4/14/2024掩蔽规律（1）被掩蔽声的频率越接近掩蔽声，掩蔽量越大，频率相近的纯音掩蔽效果显著。最大掩蔽出现在掩蔽频率附近。（2）掩蔽声的声压级越高，掩蔽量越大，且掩蔽的频率范围越宽。实验表明，掩蔽声增加10dB，掩蔽阈也增加10dB。两者呈线形关系，且这种关系不受频率影响，既适合于纯音，也适合复音。（3）掩蔽声对比其频率低的纯音掩蔽作用小，而对比其频率高的纯音掩蔽作用大。4/14/2024非同时掩蔽特点（1）掩蔽声在时间上越接近被掩蔽声，掩蔽量越大，即掩蔽效应越强。（2）掩蔽声与被掩蔽声相距时间很近时，后掩蔽作用大于前掩蔽作用，即后掩蔽在实践中更重要。（3）掩蔽声强度增加时，掩蔽量并不按比例增大。例如掩蔽声增加10dB，掩蔽量只提高3dB，这与同时掩蔽效果不同。（4）单耳的掩蔽效应比双耳显著。4/14/2024二、双耳效应（方位感）二、双耳效应（方位感）对一定声压级的纯音，双耳听起来比单耳听起来响两倍对强度和频率，双耳的辨别力都高于单耳低频信号的定向是以双耳的时间差为依据，高频信号的定向，决定于两耳间的声级差4/14/2024三、哈斯效应三、哈斯效应当两个声音到达人耳的时间差不超过20ms时，人的听觉不会发现实际上存在有两个声源。当两个声源在方位上较接近时，时间差可达30ms而不被人的听觉所觉察。当时间差增加到3550ms时，后到达人耳的声音将被感觉到，但此时人的听觉仍不能把两个声音分开。当时间差超过50ms时，若后到达的声音有足够的声级，则会干扰先到的声音，形成回音效果。4/14/2024哈斯效应应用 在听音时，达到声像统一在拾音时，完成声像定位在创作中，模拟虚拟空间4/14/2024第五节第五节 室内声学基础室内声学基础一、研究声场的方法一、研究声场的方法二、室内听到的声音二、室内听到的声音三、室内声场的建立和衰减过程三、室内声场的建立和衰减过程四、室内声压级四、室内声压级五、混响时间五、混响时间六、房间共振六、房间共振4/14/2024一、研究声场的方法 1.波动声学：用波动观点研究室内声学问题的科学。2几何声学：用声线观点研究房间内声学问题的科学。3.统计声学：从能量观点用统计学方法研究室内声学问题的科学。4/14/2024二、室内听到的声音二、室内听到的声音4/14/2024室内接收点脉冲声响应图 4/14/2024三、室内声场的建立和衰减过程三、室内声场的建立和衰减过程4/14/2024室内吸收不同对声音增长和衰减的影响 a吸收较少；b中等吸收；c吸收较强4/14/2024四、室内声压级四、室内声压级 当一声源在室内连续发声时，声波由声源到室内各部位形成了复杂的声场 4/14/2024声扩散 当声场达到稳态时，若室内各部位的声压相同，且室内声波是无规则的在各个方向传播，则可以说这种声场是均匀的，也可以称室内达到了声扩散 4/14/2024室内达到扩散声场的方法 把厅堂内表面处理成不规则形体，或设置扩散体；在墙面上交替的做声反射和声吸收处理；无规则的配置吸声材料或吸声结构 4/14/2024稳态声场声压级 在室内声场充分扩散的条件下，当声场达到稳态时，在距该声源r处的声压级为 其中：W：声源的声功率（w）LW:声源的声功率级（dB）r：接收点离开声源的距离（m）R：房间常数，（）：室内平均吸声系数 S：室内总表面积（）Q：声源指向性因数4/14/2024声源指向性因数 Q=1Q=2Q=4Q=84/14/2024声能的分布4/14/2024混响半径 当房间常数R为一个确定的数值时，有一个由直达声场转变为混响声场的转变点，该点的直达声声能密度等于混响声声能密度。该点与声源的距离称为临界距离rC，也称混响半径。（m）在临界距离以内，即听音点到声源的距离rrC，直达声起主要作用；在临界距离以外，即rrC，混响声起主要作用。只有在与声源的距离大于rC时，改变室内吸声量才会对声场特性有明显影响 4/14/2024五、混响时间五、混响时间当室内声源停止发声后，声音衰减的过程称为混响过程混响时间，指在达到稳态声场后，声源停止发声，从声源停止发声到室内声能密度衰减到原来的百万分之一（衰减60dB）时所经历的时间，记作T604/14/2024不同类型厅堂的最佳混响时间（500 Hz）厅堂用途混响时间（s）厅堂用途混响时间(s)电影院、会议厅1.0-1.2电视演播厅0.8-1.0演讲、戏剧、话剧1.0-1.4语言录音0.3-0.4歌剧、音乐厅1.5-1.8音乐录音1.4-1.6多功能厅堂1.3-1.5多功能体育馆小于1.84/14/2024塞宾公式 式中：T60：混响时间（s）K：与温度有关的常数，一般取K=0.161s/m V：闭室的容积(m3)A：房间吸声量(m2)A是室内总表面积S与其平均吸声系数 的乘积，即其中 则 其中为室内不同材料的表面积（）为室内不同材料的吸声系数 4/14/2024克纳森公式 其中，4m为空气中的吸收系数，它不但与频率有关，而且与温度、湿度有关 4/14/2024室温为20时，湿度与空气吸收系数的关系 30405060708010000.0050.0040.0040.0040.0040.00320000.0120.0100.0100.0090.0090.00840000.0380.0290.0240.0220.0210.02063000.0840.0620.0500.0430.0400.03880000.1270.0950.0770.0650.0570.0534/14/2024六、房间共振六、房间共振 当声源发声时，声波不可避免的会相互干扰，从而激发出房间内的某些固有频率的声音，形成驻波，即出现了房间的共振现象 4/14/2024矩形房间中的共振 方式：(2，0，0)方式：(1，1，0)方式：(2，1，0)4/14/2024计算房间共振频率的普遍公式 4/14/2024克服简正现象和减少驻波对音质影响的方法声源房间体积房间的长、宽、高比例室内表面的处理4/14/2024