第1章电声技术基础

第1章电声技术基础1.1声波物体的振动（即声源）引起空气分子相应的振动，传入人耳导致鼓膜振动，通过中耳、内耳等一系列听觉器官的共同作用使人听到了声音。声音就是通过中间媒质传播，能被人耳感觉的振动，通常叫做声波。传声媒介：空气、液体、固体等。声波传播的空间称为声场。由于空气质点的振动方向与波的传播方向相同，故属于纵波传播。一、声波的特性声速:声波的传播速度称为声速。声速取决于媒质的弹性和密度。声音在空气中的速度是随温度的升高而增加的。空气中的声速（米/秒）在温度T时为：V=331.6+0.6t(M/S)t为20度时，V=340M/S为声速的一般取值。声波在水中的传播速度为1485M/S,在钢材中的传播速度为5000M/S(注意：声波是机械波，与音频电磁波的区别)声振动一个周期传播的距离(在波的传播方向上，两震动相位相同又相邻的媒质质点间的距离)叫做波长,用表示为：=V/f（M）二、声波的度量1、声压、声压级声压：声波在空气传播过程中，引起空气质点振动，使空气发生疏密变化，导致空气压强变化叫声压。用P表示，单位是:帕（1Pa＝N/㎡)和微巴（1μba＝dyn/c㎡）。1Pa＝10μba,1个大气压＝105帕（空气分子本身固有的不规则运动及相互排斥会形成一个静态的压力）声压（振动的空气分子对它通过的截面产生额外的压力）比大气压要小很多，一般人们谈话的声压约为2×10-2Pa～7×10-2Pa听阈声压:刚能听到的声音的声压值为2×10-5Pa。痛阈声压:感到疼痛的声音的声压值为20Pa。任意周期性声波可分解为一系列简谐振动，其物理量按正弦或余弦规律变化为：A(t)=Amsin(ωt+θ)Am为振幅、ω为角频率、θ为初相位声波的相位用于描述简谐振动在某一瞬间的状态。人耳感受振动的频率范围是有限的，声波的一般范围：20HZ～20000HZ低于20HZ的振动称为次声波高于20000HZ的振动称为超声波声压级常用Lp表示，定义为：式中：Lp——声压级，dB；0202ppplg20pplg10Lp——声压，Pa；p0——基准声压。在空气中规定:p0为2×10－5Pa，该值是正常青年人耳朵刚能听到的1000Hz纯音的声压值。各种环境的声压和声压级2、声功率单位时间内通过垂直于声传播方向，面积为S的截面的平均声能量称为平均声能量流或平均声功率。单位为瓦（W）式中：e为声能密度c0为声速s为截面积声功率级：Lw=10lgW/Wr（dB）式中Wr=10-12W，称为基准声功率。声能量密度e是指声场中单位体积内的声能量，单位：J/m3。声能量密度的平均值：3、声强通过垂直于声传播方向单位面积上的平均声功率（或平均声能量流）称为声强。I＝W/S单位为：W/㎡声强级：（dB）式中I0＝1×10－12W/㎡为闻阈声强值声强与声压关系：三、声音的传播特性声波作为机械波的一种，具有波在传播中的一切特性，在传播过程中会产生衰减，反射，透射和衍射等现象。1、声波的衰减声波在媒质传播过程中，声压或声强将随着传播距离的增加而逐渐衰减。主要原因：由于空气的粘滞性和热传导使声能变为热能而损耗。声波的频率愈高，空气的吸收也愈大，声波的频率愈低，空气的吸收也愈小。因此高频声波比低频声波衰减得快.除了空气能吸收声波外，有一些材料如玻璃棉、毛毡、泡沫、塑料等称为吸收材料。2、声波的反射和透射声能被障碍物反射回来，就是声反射，另一部分透入障碍物内部并被吸收，余下的能量就会透过障碍物并在另一面传播这叫透射。反射、吸收、透射声能的大小与障碍物的性质有关。声阻抗z=ρc（ρ为介质密度，c为介质中的声速）当声波进入阻抗不同的介质时，必然发生反射現象与透射現象媒质声速(m/s)密度(kg/m3)声阻抗(kg/m2s)SceW02002cpe0IIIlg10L002cpI空气0℃3.32×1021.294.28×10220℃3.44×1021.214.16×102水(20℃)14.8×102988.21.48×106脂肪14.0×1029701.36×106脑15.3×10210201.56×106肌肉15.7×10210401.63×106密质骨36.0×10217006.12×106钢50.5×102780039.4×106反射率r=Er/EO=(z1-z2)2/(z1+z2)2透射率τ=Eτ/EO=4z1z2/(z1+z2)2吸声系数α=1-r吸收材料吸收声能愈好反射声能就愈小。透过的声能愈小，隔声的性能就愈好。声能大部分反射的表面称为声学刚性的。凹曲面对声波形成集中反射，使声能集中于某一点或某一区域，称为声聚焦。凸曲面对声波反射，使声能形成扩散。由上述各式可知，声波在分界面上反射和透射的大小决定于媒质的特性阻抗，具体分析如下：当z1＝z2时，有r＝0，τ＝1，全部透射当z1z2时，有r0，τ0，硬边界，反射波和入射波声压同相当z1z2时，有r0，τ0，软边界，反射波和入射波声压反相当z1z2时，有r1，τ2，绝对硬，反射波声压和入射波声压大小相等，相位相同，在界面上合成声压为入射声压的两倍，发生全反射。3、声波的衍射和绕射声波在前进过程中，遇到尺寸比其波长大得多的障碍物时，会发生反射；当遇到尺寸较小的障碍物或孔隙时，就会发生衍射（绕射），低频声更容易发生衍射；声波的衍射（绕射）现象与声波的频率、波长及障碍物的大小有关。如果声波的频率比较低、波长较长而障碍物的大小又比波长小得多，这时声波能绕过障碍物，并在障碍物后面继续传播。如果声波的频率比较高、波长较短，而障碍物的大小又比波长大得多，这时声波不能绕过障碍物，并在障碍物后面继续传播得较少，这时衍射现象不明显。4、声波的干涉和叠加两个频率相同的声波传到空间某一点时，常会发生干涉现象：如果相位相同两个声波便会互相叠加而增强，如果相位相反两个声波便会互相减弱，甚至抵消；如果相位存在一定相位差，则可能有一些增强或减弱。四、室内声学1、室内声的组成⑴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，不受空间界面影响，其声强基本与听点到声源间距离的平方成反比衰减。⑵早期反射声：指延迟直达声50ms以内到达听声点的反射声，对声音起到增强作用；在大空间内，因反射距离远，易形成回声，产生空间感⑶混响声：声波经室内界面的多次反射，迟于早期反射声到达听点的声音，直至声源停止发声，但由于多次反射，听点仍能听到，故又称余声，影响声音的清晰度。室内声场组成2、混响及混响时间当室内生源停止发声后，声音衰减的过程称为混响过程。混响时间T60：指声源停止发声开始到声压级衰减60dB所需的时间。赛宾公式：艾润公式：通常要计算125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz6个频率的混响时间值，在未加注明时，通常是指500Hz的混响时间。例如，用于电影院会议厅的500Hz频率的混响时间为1.0~1.2s，多功能厅堂为1.2~1.4s.混响半径室内声场中直达声声能密度等于混响声声能密度的点与声源的距离称为混响半径。混响半径与房间吸声情况有关，与声源无关。房间常数R（m2)：SV161.0T60。为吸声系数加权平均值为室内表面积和，为室内体积，SV1lnSV161.0T601SR声场中直达声声能密度等于混响声声能密度的点与声源的距离称为混响半径。听音点在混响半经以内时，直达声起主要作用。听音点在混响半经以外时，混响声起主要作用。1.2人的听觉特性耳的构造和功能外耳：耳廓和外耳道中耳：鼓膜、三块听小骨（锤骨、砧骨和镫骨）卵圆窗和正圆窗内耳：前庭器官和耳蜗（鼓阶、中阶和前庭阶）听觉功能涉及到多种形式的能量转换，环境中的声能经传送通过鼓膜后被转换成机械能，而机械能又被听小骨增强之后通过前庭窗传给耳蜗，耳蜗中的液体流动则属于液体能，这一液体运动使位于基底膜的毛细胞弯曲，毛细胞又把机械/液体能转换成电脉冲传输给大脑，大脑最后将接收电脉冲信号并解释为声音。一、听的主观感觉声音的质量决定声音质量的四个因素：响度（振幅）、音高（频率）、音色（频谱）和音品（波形包络）。响度、音高、音色、音品是听音的主观感觉，它包括了心理和生理的因素在内。而振幅、频率、频谱和波形包络是声音信号的物理量，是可以进行客观技术测量的。1、响度(振幅):是人耳对声音强弱的主观评价尺度，其客观评价尺度是声波的振幅。响度是人耳判别声音强度等级的概念，单位是sone（宋）1宋定义为声压级为40dB,频率为1000Hz,且来自听者正前方的平面波形的强度。如果另一个声音听起来比这个大n倍，则声音的响度为n宋。响度级：将某一频率的声音与1kHz的声音比较，当两者响度一样时，1kHz声音的声压级（以2x10-5Pa为0dB的相对分贝数）就是该声音的响度级。单位：方（phon）响度与响度级的关系根据大量实验得到，响度级每改变10方，响度加倍或减半。或响度级的合成不能直接相加，而响度可以相加。等响度曲线：在声压级与频率的坐标系中，声压级作为参变量,将频率不同，听起来却有同等响度的声压级连接起来组成的一簇曲线。低声压级时，等响度曲线上各频率声音的声压级相差很大。高声压级时，各频率的听感等响基本相同。高频段的响度变化与声压级增量基本一致；低频段声压级的微小变化会导致响度的较大变化。2、音高：音高又称音调，是人耳对声音调子高低的主观评价尺度，它的客观评价尺度是声波的频率。R41rc)1040L(2NNNlg3340LN频率增加一倍，声学中称之增加一个“倍频程”，音乐上叫“提高一个八度”。音调单位：美（mei）音高与频率基本成对数关系。音律：在乐音中用音律来描述音高。乐音具有确定的周期和频率，把一组音按音调高低的次序排列起来就成为音阶，如：dou，ruai，mi，fa，sou，la,xi，douC,D,E,F,G,A,B,C11,2,3,4,5,6,7,1.为了确定乐音体系中各音的绝对准确高度，国际标准音高规定为440Hz的a音，将一个纯八度(如c-c1)分成十二个均等的部分(即半音)，每相邻的两个半音，高音频率是低音频率的“2的1/12次方倍”。这就是十二平均律。半音与半音相加等于一个全音。高音C的频率正好是中音C频率的2倍（即1与ⅰ之间相距一个倍频程或提高一个八度）。音名：c#c(降d)d#d(降e)ef频率(Hz)：261.63277.18293.66311.13329.23349.23音名：#f(降g)g#g(降a)a#a(降b)b频率(Hz)：370.00392.00415.30440466.16493.883、音色：乐器中的振动源,其振动方式决定了它具有丰富的谐波成分（泛音），因而产生出以基本振动频率（称为基音）为主含丰富泛音的乐音。基音：在复音中，频率最低的声音叫做“基音”。乐音的音调是由基音的频率决定的。这些谐波频率是基本振动频率的整数倍，音乐术语称为泛音。谐波成分的多少及振幅的比例决定了乐音的音色。常用形容词有：甜美、圆润等。4、音品：音品是由声波的波形所决定的。波形的包络指乐音中的每个周波颠峰间的连线。在音乐中的声音，其谐波组成和波形的包络，包括声音的起始和结束的瞬态，也就是声音的成长和衰变的过程确定了声音的特征，称为音品。常用的形容词是：清晰、结实有力等。音品与声音的频谱结构、包络和波形有关。发音体的泛音结构不同，频率特性曲线、种类不同造成音色结构的不同。二、听觉效应听觉的感受性：对音频高、中、低各频段平衡性的控制密度与重量感透明感层次感定位感速度感与瞬态反应想象力与形体感对比性空间感1、人耳的非线性掩蔽效应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，由于第一个声音存在而使第二个声音提高听阈的现象称为掩蔽效应。第一个声音称为掩蔽声，第二个声音为被掩蔽声，第二个声音听阈提高的数值称为掩蔽量，以dB表示。纯音的掩蔽噪音的掩蔽:“鸡尾酒会效应”在嘈杂的声场中，通过两耳拾取音源的距离差、时间差、频率差就可以辨别出不同方位的声音，来选择不同方位的声源。