声学基础

,第二级,第三级,第四级,第五级,第,2,章,声学基础,第2章 声学基础,2.1 声波的基本性质,2.2 听觉的基本特性,2.3 立体声基本原理,2.4 室内声学,思考题与习题,2.1 声波的基本性质,2.1.1 声波, 声音,声波与声音是两个有联系, 又有区别的概念.,1. 声波,物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.,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.,. 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.,2.1.2 声速, 波长和频率,声波能在空气, 液体及固体等媒质中传播, 但不能在真空中传播.,1. 声速,声波在媒质中每秒钟内传播的距离称为声速, 用符号,c,表示, 单位为,m/s.,声速与媒质的密度, 弹性等因素有关, 而与声波的频率, 强度无关. 当温度改变时, 由于媒质特性的变化, 声速也会发生变化.,当温度为15 时, 声波在空气, 水和钢中的声速分别为340,m/s, 1 450 m/s,和5 100,m/s.,当温度升高时, 声速略有增加.,2. 波长和频率,声波在一个周期内传播的距离称为波长, 用符号,表示, 单位为,m,.,声波在每秒钟内周期性振动的次数称为频率, 用符号,f,表示, 单位为,Hz.,声速, 波长和频率之间的关系为,c,=,f,(2 - 1),可见, 声波的频率越高, 则其波长越短.,2.1.3 声压, 声压级,声波的强度可用声压, 声压级来定量描述.,1. 声压,大气静止时存在着一个压力, 称为大气压强, 简称气压. 当有声波存在时, 局部空间产生压缩或膨胀, 在压缩的地方压力增加, 在膨胀的地方, 压力减小, 于是就在原来的静态气压上附加了一个压力的起伏变化. 这个由声波引起的交变压强称为声压.,声压的大小表示声波的强弱. 在一定时间内, 瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压. 用电子仪表测量得到的通常是有效声压, 人们习惯上讲的声压实际上也是有效声压. 声压的国际单位是“,Pa”（,帕）, 1,Pa1 N/m,2, ,大气压10,5,Pa.,声压与大气压相比是极其微弱的. 正常人能听到的最弱声音约为210-5,Pa,称为参考声压, 用符号,Pr,表示.,2. 声压级,人耳有一个很奇怪的特点, 主观感受的响度并不是正比于声压的绝对值, 而是大体上正比于声压的对数值. 为此, 在声学中还用声压级来描述声波的强弱, 用符号,SPL,表示, 单位为,dB(,分贝). 声压级定义如下:,(2 - 2),式中,P,e,为声压有效值,P,r,为参考声压, 可见, 人耳能听到,的最弱声音, 即参,考声压级为0,dB.,2.1.4 反射, 绕射和干涉,声波在传播中会产生反射, 绕射和干涉等现象, 并具有一定的传播规律.,1. 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.,如图2 - 1(,a),所示, 反射角等于入射角, 反射声波好像从墙后的另一声源,s,发射出来一样,s,被称为声像. 声像,s,与声源,s,到墙壁的距离相等.,当声波遇到凹面墙时, 其反射现象如图2 - 1(,b),所示. 声源,s,发出的声波经凹面墙反射后集中到,s,点, 称为声波的聚焦. 当声波遇到凸面墙时, 将产生扩散反射现象, 如图2 - 1(,c,),所示.,图 2 1 声波的反射,2. 绕射,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. 若声波波长远大于障碍物线度尺寸, 则绕射现象非常显著；若声波波长远小于障碍物线度尺寸, 则绕射现象较弱, 甚至不发生绕射. 因此, 对于同一,个障碍物, 频率较低的声波较易绕射, 而频率较高的声波不易绕射.,3. 干涉,干涉是指媒质的同一部分能够同时传播任意多个不同的声波, 这些声波独立传播, 彼此互不干扰. 在任一时刻, 媒质中微粒的位移是该时刻每一个单独,声波对该微粒产生位移的代数和.,2.2 听觉的基本特性,2.2.1 可闻声, 听阈和痛域,可闻声, 听阈和痛域决定了人耳的听觉范围.,1. 可闻声,可闻声是指正常人可以听到的声音频率范围: 20,Hz20 kHz,称为音频. 20,Hz,以下称为次声, 20,kHz,以上称为超声. 在音频范围内, 人耳对中频段14,kHz,的声音最为灵敏, 对低频和高频段的声音则比较迟钝. 对于次声和超声, 即使强度再大, 人们也是听不到的.,2. 听阈和痛域,可闻声必须达到一定的强度才能被听到, 正常人能听到的强度范围为0140,dB.,使声音听得见的最低声压级称为听阈, 它和声音的频率有关.,使耳朵感到疼痛的声压级称为痛域, 它与声音的频率关系不大. 通常声压级达到120,dB,时, 人耳感到不舒适； 声压级大于140,dB,时, 人耳感到疼痛； 声压级超过150,dB,时, 人耳会发生急性损伤.,正常人的听觉范围如图2 - 2所示. 语言和音乐只占整个听觉范围的很小一部分.,图 2 - 2 可闻声的强度与频率范围,2.2.2 响度, 音调和音色,声音在物理上可以用声压的幅度, 频率和频谱3个客观参量来描述； 而在听觉上则常用响度, 音调和音色3个主观参量来描述, 俗称声音三要素.,1. 响度,响度俗称音量, 是指人耳对声音强弱的主观感受. 响度不仅正比于声音强度的对数,值, 而且与声音的频率有关.,响度级,对于强度相同而频率不同的声音, 人们会有不同的响度感觉. 例如频率为100,Hz,和1 000,Hz,的两个纯音, 声压均为0.002,P,a,听起来却不一样响,感觉到后者比前者响得多.,等响曲线,如上所述, 利用与基准音比较的实验方法, 测得一组一般人对不同频率的纯音感觉一样响的响度级与频率及声压级之间的关系曲线, 称为等响曲线. 如图2 - 3所示是国际标准化组织(,ISO),推荐的等响曲线, 它是对大量具有正常听力的年青人进行测量的统计结果, 反映了人类对响度感觉的基本规律.,图 2 - 3 等响曲线,2. 音调,音调又称音高, 是指人耳对声音音调高低的主观感受. 音调主要决定于声音的基波频率, 基频越高, 音调越高； 同时还与声音的强度有关. 音调的单位,是“美”, 频率为1 000,Hz,声压级为40,dB,的纯音所产生的音调定义为1美.,音调与声音强度的非线性关系可由图2 - 4所示的曲线来描述. 可以看出, 在低频段, 音调受声音强度变化的影响较大.,图 2 - 4 音调变化与响度级的关系,3. 音色,音色是指人耳对声音特色的主观感受. 音色主要决定于声音的频谱结构, 还与声音的响度, 音调, 持续时间, 建立过程及衰变过程等因素有关. 因而音色比响度, 音调更复杂.,声音的频谱结构用基频, 谐频数目, 幅度大小及相位关系来描述. 不同的频谱结构, 就有不同的音色. 即使基频相同, 音调相同, 但若谐频结构不同, 则音色也不同. 例如钢琴和黑管演奏同一音符时, 其音色是不同的, 因为它们的谐频结构不同, 如图2 - 5所示.,图 2 - 5 钢琴和黑管各奏出以100,Hz,为基音的乐音频谱图,2.2.3 听觉灵敏度,听觉灵敏度是指人耳对声压, 频率及方位的微小变化的判断能力.,当声压发生变化时, 人们听到的响度会有变化. 例如声压级在50,dB,以上时, 人耳能分辨出的最小声压级差约为1,dB；,而声压级小于40,dB,时, 要变化13,dB,才能觉察出来.,2.2.4 掩蔽效应,掩蔽效应是指同一环境中的其它声音会使聆听者降低对某一声音的听力. 一个较强的声音往往会掩盖住一个较弱的声音, 特别是当这两个声音处于相同的频率范围时.,掩蔽效应在音响技术中得到应用. 如一些降噪系统就是利用掩蔽效应的原理设计的, 信噪比的概念及其指标要求也是根据掩蔽效应提出来的. 在数字音,源中, 可利用掩蔽效应进行压缩编码.,2.3 立体声基本原理,2.3.1 立体声基本概念,1. 立体声定义,立体声对我们来说并不陌生, 日常听到的自然界的声音就是立体声. 如置身,音乐厅欣赏那种此起彼伏的旋律, 无不以美的魅力感染着我们.,2. 立体声成分,为了使重放立体声给人有身临其境的感觉, 必须了解真实生活中节目演出现场的自然立体声是由哪些成分构成的? 哪些成分是构成听众临场感的要素? 由于目前立体声节目绝大多数是音乐, 歌曲, 戏剧, 因此, 仅以音乐厅的立体声为例进行说明.,我们以舞台上左右前后错开的各种乐器组成整个乐队. 他们演奏时, 到达听众耳际的声音可分为三类:,第一类为直达声.,第二类为反射声.,第三类为混响声.,3.立体声的特点,与单声道重放声相比, 立体声具有一些显著的特点.,（1） 具有明显的方位感和分布感,用单声道放音时, 即使声源是一个乐队的演奏, 聆听者仍会明确地感到声,音是从扬声器一个点发出的.,（2） 具有较高的清晰度,用单声道放音时, 由于辨别不出各声音的方位, 各个不同声源的声音混在,一起, 受掩蔽效应的影响, 使听音清晰度较低.,（3） 具有较小的背景噪声,用单声道放音时, 由于背景噪声与有用声音都从一个点发出, 所以背景噪,声的影响较大.,（4） 具有较好的空间感, 包围感和临场感,立体声系统放音对原声场音响环境的感觉是单声道放音所望尘莫及的. 这,是因为立体声系统能比单声道系统更好地传输近次反射声和混响声.,2.3.2 听觉定位机理,人对声音方向的定位能力是由听觉的定位特性决定的. 产生听觉定位的机理是复杂的, 其基本原因是声音到达左右耳的时间差, 声级差, 进而引起相位差, 音色差所造成的；也与优先效应, 耳壳效应等因素有关. 确定一个声源的方位, 需要从平面, 距离, 高度3个方面来定位.,1. 声源平面定位,1896年, 英国物理学家瑞利提出了双耳效应假设. 随后, 有关学者经过半个世纪的深入研究, 证实并发展了这一理论. 双耳效应理论揭示了人类听觉能在平面范围内判别声音方位的机理. 它是从时间差, 相位差, 声级差, 音色差4个方面进行解释的.,图 2 - 6 双耳效应,(1) 时间差,设声源在聆听者听觉平面的右前方较远处发声, 用声线表示声波的传播方向, 如图2 - 6所示. 从右前方传来的声音, 到达右耳的路径短, 到达左耳的路径,长, 声音到达两侧耳壳处的时间差可近似为,(2 - 3),式中,l,表示两耳距离；,表示声源与人头中心线的夹角, 称为平面入射角；,c,为声速. 设,l,=20,cm,c,340,m,/,s,则,t,0.62,s,in,(,ms,) (2 - 4),(2) 由于传到两耳的声音存在时间差, 因而也会产生相位差. 对于频率为,f,的纯音, 相位差与时间差有如下关系:,=2,f,t,(2 - 5),将(2 - 1)和(2 - 3)式代入上式, 可得,(2 - 6),(3) 声级差,两耳虽然相距不远, 但是, 由于头颅的阻隔作用, 使得从某方向传来的声音需要绕过头部才能到达离声源较远的一只耳朵中去. 在传播过程中, 其声压级会有一定程度的衰减, 使两侧耳壳处产生声级差.,(4) 音色差,当声源不是单一频率的纯音, 而是一个复音时, 情况要复杂些. 如一个乐,器发出的声音, 可以分解为一个基频声和许多谐频声.,2. 声源距离定位,人耳对声源距离的定位, 在室外主要依靠声音的强弱来判断, 在室内则主要依靠直达声与反射声, 混响声在时间上, 强度上的差异等因素来判断.,3. 声源高度定位,声源的高度位置由声波在垂直面上的入射角（仰角）和直线距离两个坐标量来确定. 直线距离的定位机理与前面所阐述的相同, 而仰角定位是理论上尚未圆满解决的问题.,2.3.3 双扬声器声像定位,聆听重放的立体声时, 听觉器官幻觉中的声源位置称为声像. 声像是立体声技术研究的首要问题. 声像分布, 声像清晰度是最终体现立体声效果的要素； 是研究立体声系统, 设计立体声设备和指导放声布局及聆听方法的重要依据.,1. 双扬声器声像定位实验,在重放立体声时, 要使听众所感到的声源相对空间位置能接近实际声源的相对空间位置, 从而产生身临其境的感觉, 最容易想到的方式是采用和原声源数目一样的电声传输通道, 并将各路扬声器在重放声场中按原发声场声源相对应的空间位置布局, 但是, 这种模拟既不经济也不适用.,为解决立体声重放问题, 历史上曾作过许多努力. 本世纪30至50年代, 不少学者相继通过实验和理论研究, 探明了双扬声器放声时对听觉所产生的一些效应, 如双耳效应, 哈斯效应及界外现象等. 他们所进行的双扬声器声像定,位实验框图如图2 - 7所示.,图2 - 7 双扬声器放声实验,2. 声像分布,声像分布与其所对应的原发声场各点声源空间分布的一致性, 标志着立体系统的准确性. 这种准确性是从立体声节目制作直至重放过程中系统综合性能,的体现.,声像分布与声级差及频率域的关系, 在数学上可由著名的正弦定理来描述:,(2 - 7),方位角,是聆听角,L,R,分别为左, 右两声道的信号强度,K,是修正系数. 当信号频率,f,700 Hz,时,K,1；,当,f,700 Hz,时,K,1.4.,读者可联系图2 - 7来理解(2 - 7)式.,正弦定理告诉我们: 改变左右两只扬声器的发声强度, 声像将定位在两只,扬声器之间.,图2 - 8 阶梯频响校正特性,3. 声像清晰度,声像清晰度与声像宽度有关. 由于人对前方声源方位角的定位精度平均值约为4, 所以声像实际上不可能是一个点, 而在扬声器基线,B,上有一定宽度,宽度越小, 声像清晰度越高.,2.3.4 双声道立体声拾音,拾音是指用传声器拾取声音, 并将声音变换为电信号. 双声道立体声采用两个传声器拾音, 产生左右两个声道信号, 供给双扬声器放声. 根据两个传声器放置方式不同, 构成了,A - B,制,X - Y,制,M - S,制和仿真头制等拾音方式.,图 2 - 9,A - B,制拾音方式,1.,A - B,制,A - B,制拾音方式是将两只型号及性能完全相同的传声器并排放置于声源的前方, 左右两只传声器拾音后分别将信号送至左右两个声道. 两只传声器间距视声源的宽度而定. 通常为几十,cm,至几,m.,传声器可选用全指向性的或单指向性的.,A - B,制拾音方式如图2 - 9所示. 由图可知, 当声源不在正前方时, 声源到达,两只传声器的路程是不同的.,在,A - B,制拾音方式中, 如果两只传声器相距较远, 听音时还会产生中间空洞,现象.,2.,X - Y,制,X - Y,制拾音方式采用两只型号及特性完全一致的传声器, 上下靠紧安装在一个壳体内, 构成重合传声器. 两只传声器的指向性主轴形成90120的夹角, 主轴朝向左边和右边的传声器输出的信号分别送入左, 右声道, 如图2 - 10所,示.,图2 10,X - Y,制拾音方式,. - 制, - 制拾音方式是将一只传声器,M,的指向性主轴对着拾音范围的中线, 而另一只传声器,S,的指向性主轴则向着两边, 两只传声器的指向性主轴夹,角为90.,采用这种拾音方式时,M,传声器拾得的是整个声场的信号, 而,S,传声器拾得的是声场两侧的信号.,M,信号相当于左右信号之和, 即,M =,L,R,；,而,S,信号相当于左右信号之差, 即,S =,L,R,.,所以,M,和,S,两只传声器所拾得的信号必须进行和差变换,才能成为左右声道的信号, 如图2 - 11所示.,图 2 11,M - S,制,拾音方式,M,-,S,制拾音方式也将两只传声器上下靠紧安装在一个壳体内, 构成重合传声器. 因而, 其拾得的信号也只有声级差, 由于,M,传声器拾得的是全声场的信号,L,R,=,M,可供给单声道系统放声, 因而有较好的兼容性.,4. 仿真头制,仿真头制拾音方式是将两只放置在用塑料或木材仿照人头形状做成的模拟,人头的两耳部位,这两只传声器输出的信号分别做为左右声道的信号,.,2.4 室,内,声,学,2.4.1 室内声学特性,对音响效果有决定作用的室内声学特性包括3个方面, 即室内声场分布, 隔音效果和混响效果.,1. 声场分布,理想的室内声场分布应该是均匀的, 即室内空间各点的声能密度均匀一致. 如果室内声场不均匀, 在发出猝发声后, 会有嗡嗡声不绝于耳, 如同洞穴里的拖尾音效果, 将影响正常听音.,造成室内声场不均匀的因素很多, 如四周形状, 物件摆设等, 其中首先应,该考虑的是房间尺寸.,在波动声学中, 已经推导出房间高, 宽, 长合理的尺寸比例范围, 如图2 - 12白色部分所示, 其中, 两点是合适的, 点是不合适的, 点在实践中证明是可行的. 应该记住的一条原则是不要使高, 宽, 长的比例为整数之比, 如2是不合适的. 房间尺寸比例合适是产生均匀声场的必要条件, 但不是唯一的条件.,图 2 - 12 房间高, 宽, 长合理的尺寸比例范围,2. 隔音效果,隔音是为了防止外来噪声干扰音响效果. 外界的噪声来源很多, 如马路上的汽车喇叭声, 行人的喧闹声, 空调机的振动声, 鼓风机的马达声等.,3. 混响效果,混响效果决定于混响时间, 与室内吸声能力的强弱有关, 是影响音响效果的主要因素, 下面将进行详细些的讨论.,2.4.2 混响时间,1. 混响时间估算,混响时间与房间的容积, 面积, 墙面地面及天花板材料的吸声系数有关, 还与房间内物件摆设及人员多少等因素有关. 通常, 在声场均匀分布的封闭室内的混响时间, 可用著名的赛宾公式进行工程估算:,(2 - 8),式中,T,60,为混响时间, 下标表示衰减60,dB,所需的时间；,V,为房间的容积, 单位为,m,3,；,S,为室内总表面积, 包括地面, 四周墙面及天花板, 单位为,m,2,;,为室内表面的平均吸声系数, 可由下式求得:,(2 - 9),2. 最佳混响时间,一个房间的混响时间不同, 其音响效果亦不同. 混响时间过短, 只能听到直达声和近次反射声, 使人感到声音干闷. 混响时间过长, 混响声会掩盖或干扰后面发出的声音, 有隆隆声的感觉, 从而降低了清晰度. 因此, 应该选择一个最佳混响时间.,2.4.3 吸声材料,吸声材料用于室内声学处理, 以控制混响时间. 由于粘滞性, 热传导性和分子吸收效应, 吸声材料可把声能转变为热能.,按照材料的物理性能和吸声方式, 吸声材料可分成多孔材料, 薄板共振吸声材料和空腔共振吸声材料. 不同的吸声材料具有不同的吸声系数. 常用建,筑材料和用具的吸声系数如表2 - 1所示.,表 2 - 1,常用建筑材料和用具的吸声系数,思考题与习题,2.1 声音是怎样产生的? 声音与声波有何联系? 有何区别?,2.2 普通谈话声, 交响乐演奏声(相距5,m),喷气飞机起飞声(相距5,m),的有效声压分别约为210,-2, 0.3, 200,Pa,试计算它们相对应的声压级各为多少?,2.3 声波有哪些传播特性? 与音响技术有何内在联系?,2.4 可闻声的频率范围和强度范围各为多少?,2.5 声音的三要素是什么? 分别与哪些因素有关?,2.6 听觉灵敏度指什么? 与高保真音响系统的技术指标有何关系?,2.7 什么是掩蔽效应? 试举出一个日常生活中的例子.,2.8 试从图2 - 3中0,phon,响度级等响曲线查出,f,20, 100, 1 000, 2 000,5 000, 10 000 Hz,时所对应的声压级.,2.9 什么是立体声? 立体声有哪些成分? 立体声有何特点?,2.10 人耳对声源的平面定位, 距离定位, 高度定位各依据哪些因素?,2.11 双扬声器声像定位实验的结论是什么? 它对立体声拾音和放声有何指导意义?,2.12 试用正弦定理说明, 当左声道信号强于右声道信号时, 声像将偏向何方? 应如何避免歌唱演员头脚移位的声像现象?,2.13 双声道立体声有哪些拾音方式? 各有什么特点?,2.14 室内哪些声学特性会影响音响效果?,2.15 试计算一个实际听音室的混响时间.,