声波传播特性及人耳听觉特性.ppt

第一章声波的传播特性及人耳的听觉特性 第一节声波的传播特性 声波是由物体振动产生的 当振动在一定的频率和强度范围内时 人耳就可以听到 振动发声的物体称为声源 有声波传播的空间称为声场 当声源在空气中发声时 媒质也产生振动 于是 振动形成波动 在空间传播开来 在声源周围形成疏密交替的空气压力波 即声波 在15摄氏度时 大约以340米 秒的速度由声源向外传播 气体中的声波属于纵波 即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上 尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球面扩展的 波阵面为球面 这种声波称为球面声波 这种声源称为点声源 现实中的声源 即使具有一定的尺寸 但在距离与声源尺寸相比充分远时 也可将它看作点声源 在这样距离里处得到球面声波 当距离远到一定程度时 波阵面即与平面声波的波阵面相接近 可看做平面声波 一 声波的反射 声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波波长的坚硬界面 会产生反射 声波从界面反射的角度与声波入射到界面的角度相等 即反射角等于入射角 反射的声波如同从界面后面与声源相对应位置处发射出来的一样 即如同在该位置处有一声源 称为虚声源 也称为镜像声源 它与界面的距离等于声源与界面的距离 如图1 1所示 当声源在一个凹界面前 声波会产生聚焦 如图1 2所示 对于播音室来说 为了良好扩散 应避免凹界面 当声源在一个凸界面前 声波会产生扩散 如图1 3所示 播音室中经常采用凸面结构 以增加声波的扩散 使声场中声能密度均匀 二 声波的干涉 由几个声源产生的声波 同时在同一媒质中传播时 如果几个声波在某点相遇 在相遇处媒质质点的振动将是各个声波所引起的分位移和矢量和 就是声波的叠加原理 也就是说 每个声波都独立地保持自己原有的特性 如频率 波长 振动方向等 因而 几种乐器同时演奏或几个人同时说话时 我们也能分辨出各种乐器和各个人的声音 两个声波传到媒质中的一点时 如果两声波在该点产生的振动是同相的 则这点的振动会加强 如果两声波在该点产生的振动是反相的 则该点的振动就会相互减弱或抵消 当两个频率相同 振动方向相同 相位相同或相位差恒定的声源所发出的声波叠加时 会使某些点的振动加强 某些点的振动减弱 甚至被抵消而不振动 这种现象称为声波的干涉现象 产生干涉的声波称为相干声波 相应的声源称为相干声源 当一个声源处于两个具有很小吸声性能的平行界面之间时 垂直入射的声波与反射声波会产生干涉现象 干涉的结果在空间形成振幅分布恒定不变的振动 这种情况称为驻波 两个频率相近 强度相差不多的声波相遇时 由于两者间的相位差时刻在变化而使叠加后的声波振幅做周期变化 合成的声波会在时间上有强弱的变化 这种现象称为拍 振幅变化的频率等于原来两个频率之差 称为拍频 三 声波的衍射和绕射 由于媒质中的障碍物或其他不连续性而引起声波波阵面畸变的现象称为衍射 或绕射 如图1 4所示 当声波在传播过程中遇到有小孔的大障碍物时 如果小孔宽度大于声波波长 声波将从小孔穿过向前传播 如果小孔宽度小于声波波长 则在障碍物的另一侧的声波有如一个以小孔为中心的新的声源发射的声波 当声波的波长远大于障碍物尺寸时 声波可绕过障碍物向前前进 当声波的波长远小于障碍物尺寸时 声波会被反射一部分 并在障碍物后面形成一无声区 四 声强 声波的强度可以用声压幅度表示 如果声源是一个点声源 在距声波不太远的范围内 声波的波前为球面 声压幅度将与距离平方成反比 如果声源很大 或离开声源很远 则声波波前为平面 声压幅度就不随距离远近而变化 而是保持一个恒定大小 在实际中 由于空气对声波的吸收 声波的能量会逐步损失 直至使声压幅度为零 第二节人耳的听觉特性 一 人耳的听觉器官图1 5为人耳的剖面图 它分为外耳 中耳和内耳三个部分 1 外耳由耳廓 耳壳 和外耳道组成 耳廓起收集和向外耳道反射声音的作用 外耳道将声音传送给中耳 外耳道的自然谐振频率约为3400Hz 由于外耳道的共鸣 以及人头对声音产生的反射和衍射 使得人耳对2 4Hz的声音感觉约可提高15 20dB 2 中耳由鼓膜和三块听小骨组成 鼓膜是一个漏斗状的薄膜 声波激励鼓膜振动 并将振动传给三块听小骨 听小骨具有一些非线性 使人们对一个频率的声音能产生出它的谐音的感觉 3 内耳由三个半规管和耳蜗组成 耳蜗呈螺旋形 状似蜗牛 是一骨质腔体 内部充满淋巴液 耳蜗沿其长度被基底膜分为两部分 分别称为前庭阶和鼓阶 在基底膜上分布有大量毛细胞 每根毛细胞上都连有末梢神经 人耳听音的详细过程如下 声音经过耳廓和外耳道到达鼓膜 使鼓膜产生相应的振动 鼓膜的振动经类似杠杆系统的三个听小骨放大后 传到耳蜗的卵形窗 并传递给耳蜗内的淋巴液 耳蜗通过大约4000根神经末梢与大脑相连 耳蜗是一选频器官 高频声音激励靠近卵形窗的神经末梢 中频声音激励中部的神经末梢 末端的神经末梢则被低频的声音激励 当耳蜗的某个范围被相应频率的声音激励时 这个部位的毛细胞就会使相连的神经末梢发出电脉冲 并将电脉冲传递给大脑 每单位时间的脉冲数取决于声音的强度 声音越强 毛细胞受到的激励越强烈 单位时间内传给大脑的脉冲数就越多 因此 耳蜗是个很好的声音分析仪 它能从一个复合的声音中分辨出各个频率成分 用人耳辨别声音的音调 只需听到振动的几个周期就能分辨得一清二楚 在听觉范围内人耳能认定和区分大约1500种不同的音调 二 人耳对声音的感受 人耳对声音的感受 只能在一定范围的频率及声压级下进行 在这个范围外的声音人耳是感觉不到的 人耳能感受的声音频率范围因人而异 也随听音人的年龄而不同 人耳的可听频率范围为20Hz 20KHz 这个范围外的声音 无论声压级多高 人耳都听不到 高于20KHz的称为超声 低于20Hz的称为次声 年轻人可以听到高频上限的声音 超过20岁后 可听到的频率上限会逐渐下降 声音是一种物理现象 人耳听到声音后对声音的感受却是一种心理现象 首先应弄清楚人耳的主观感受与声音的物理量之间的关系 通常将人耳对声音的三种主观感受 即响度 音调和音色称为声音三要素 响度主要与声音的振动幅度有关 音调主要与声音的振动频率有关 音色主要与声音的振动频谱有关 响度 人耳对声音强弱的感觉称为响度 人耳对声音响度的感觉与声压级和频率有关 将人耳在听到不同频率纯音 正弦波 时 对所有具有相同音量感的声压用一条曲线表示后得到的曲线族 称为等响曲线 如图1 6所示 图中每条曲线上所代表的与声压级 频响相对应的声音 人耳听来都是同样响的 也可以理解为对于不同频率的声音 人耳听到同样响度时所需的声压级不同 例如 以1KHz 60dBSPL的声音为基准 人耳听到与它等响的100Hz声音所需的声压级68dBSPL 对20Hz声音需100dBSPL 对4KHz声音则需51dBSPL 将1KHz声音以dB表示的声压级定义为响度级 单位为phon 方 0phon以下的声音 人耳是听不见的 所以0phon曲线可称为听阀 120phon以上的声音会使人耳感到疼痛 所以120phon曲线可称为痛阀 分析等响曲线可得出以下结论 1 人耳对不同频率声音的灵敏度不同 对中频段最为敏感 对高 低频段的敏感度下降 2 从听阀曲线可看出 4KHz左右是曲线的最低点 即人耳听到4KHz左右声音所需的声压级最小 因而对4KHz左右声音最为敏感 这是由于外耳道共鸣引起的 3 声压级越高 人耳听觉频响越趋平直 声压级越低 人耳听觉频响越不好 高低频都会有所损失 4 对100Hz以下的低频声 人耳的灵敏度会急剧下降 对20Hz声音的听阈为70dBSPL 因此为了进行有适当低音的调音 监听扬声器的声压级至少应为70dBSPL 通常监听扬声器的声压级取为70 90dBSPL 当监听音量减小时 高频 低频声会有所损失 因而改变监听扬声器的声压级会使不同频段的音量平衡发生变化 5 曲线族之间的间隔1KHz附近几乎是均等的 说明人耳对1KHz附近的频率 声压变化的dBSPL值与听觉上的音量感的变化是比较一致的 因此 选定1KHz声音作为各种声音的声压级基准 根据上述分析可知 当改变重放音量时 各个频率的声音的响度级也将改变 所以人们会感到声音的音色有变化 即使是一个高级的放音装置 在低声级放音时 会感到放音频带变窄 声音单薄 相反 即使是一个低级的放音装置 在提高放音量时 也会感到放音频带展宽 声音较丰满 为了减小等响曲线的影响 可以在前置放大器部分安装响度控制器 使在低声级放音时 能根据等响曲线自动地将低声级频段声音的声级进行反校正 将它们相应提高 音调 人耳对声音高低的感觉称为音调 音调主要与声音的基音频率有关 但不成正比 是一种对数关系 影响音调的因素还有声压级和持续时间听觉有心理因素和生理因素 音量变化对音调感觉有影响 低频声减小音量 会感到音调升高 增大音量时 会感到音调变低 高频声正相反 减小音量时会感到音调变低 增大音量时 会感到音调变高 因此在小音量时必须将低频声的音调调低一些 而将高频声的音调调高一些 才能等到应有的音调 3 音色 音色是听觉上区别具有同样响度和音调的两个声音的主观感觉 也称为音品 由频谱结构决定 即由声音的基频和谐波的数目以及它们之间的相互关系来决定 声音的频谱结构用频谱图来表示 以频率的对数坐标作为横坐标 以声压级作为纵坐标 将基频和斜波按幅度大小以相应高度的纵线表示在相应频率坐标上 音色还与发声体振动的起振 稳定和衰减的时间过程有关 时间过程可简称为时程 或称为时间轴上的包络形状 起振阶段只在激发弦或空气柱使振动开始的瞬间 振幅还不大还不稳定 例如铜管乐器激发的时间40ms 强激发时最长为80ms 但在弱激发时最长可达180ms 稳定阶段是振幅增至最大 并保持恒定不变的阶段 例如弦乐中的提琴和二胡 管乐的长笛和小号 而板鼓和梆子等打击乐则没有 衰减阶段是振幅开始减小至完全停止的阶段 例如扬琴可达1 2秒 一般乐器高音短低音长 风琴起振缓慢 短时间内保持一定的稳态声级 较缓的衰减 钢琴起振较快 然后逐步衰减 三 人耳的几个效应 遮蔽效应由于第一个声音的存在而使第二个声音提高听阈的现象 称为掩蔽效应 因此 一个声音能被听到的条件是这个声音的声压级不仅要超过听者的听阈 而且要超过它所在背景环境中的掩蔽阈 鸡尾酒会效应 人们具有从许多声音中选择听到自己要听的声音的能力 在许多人相聚的鸡尾酒会中 可以对特定人的讲话听的最清楚 这种效应成为鸡尾酒会效应 但传声器拾音时 不具备人的这种心理选择 而只能客观的拾取由其指向性 灵敏度 拾音方式等限定的声音 因此实际录音时 不应被声源的内容所吸引 而应注意客观存在的物理声音 双耳效应 用两只耳朵听声与用一只耳朵听声 在效果方面有许多不同 这种不同称为双耳效应 双耳可听到比单耳时低3dB的声音 对噪音而言不成立 双耳效应最明显的是对声音的定位 由于到达两耳的声音存在声级差 时间差和相位差 人耳对高频声方位的判断主要靠声级差 人耳对低频声方位的判断主要靠时间差 4 主观音 当声音变强时 人耳会感到原来声音中没有的频率 这是由于人耳传声机构具有非线性失真 形成高次谐波 由人耳主观产生 称为主观音