1、声学与声品质

第一章：声学的基本术语和定义第二章：声品质第三章：声品质的定量分析第四章：声全息第一章：声学的基本术语和定义1、声学参数：2、用对数标尺度量声学参数3、声计权4、噪声5、声音与振动的关系（约30分钟）1、声学参数：（1）声压（2)声强（3）声功率(4)自由场(5)扩散场(6)吸声系数(7)声阻抗（1）声压声波作用于物体上的效果产生声压P，单位是Pa（帕），以正常人耳的听觉为例，在1000Hz的频率下，可听到的最弱的声压为2乘10的-5次方Pa，称之为听阈声压，人耳感觉疼痛的声压为20Pa，称之为痛阈声压。（2）声强单位时间内通过单位面积的声能，声强是垂直于声波传播方向上，以I表示，单位是W/m2。（3）声功率声源在单位时间内辐射的总声能，称之为声源的声功率，用P表示，单位是W，它等于包围声源的一个封闭面上的声强总和。例：在自由声场中，声波无反射地自由传播，点声源向四周辐射球面波，其声功率为是距离点声源为r处的声强。例：如果声源在开阔空间的地面上，声波只向半球面辐射，此时声功率（4）自由场自由场指一种理想化的声场，其各处的声能量流方向均背离声源，声压和声强均随测量点离声源距离的增加按反平方律而降低。在自由声场中，声波将声源的辐射特性向各个方向不受阻碍和干扰地传播。如：消声室，房间中的声场基本上可以认为是自由场。若消声室地面用作反射面，则这时的声场为半自由场。消声室全消声室:半消声室:房间六面都具有消声作用除地面外，另五面具有消声作用（5）扩散场也称为混响场。在混响场中，声波来回地发生全反射，从而使得各处的声强都等于零。从统计观点来讲，可认为声束通过任何位置的几率是相同的，并且通过的方向也是个个方向几率相同的，由此造成室内声场的平均能量密度分布式均匀的。这样的均匀声场称之为“扩散声场”混响室能在所有边界上全部反射声能，并在其中充分扩散，使形成各处能量密度均匀、在各传播方向作无规分布的扩散场的实验室。其用途主要是：测定材料的吸声系数，空气中的声吸收，声源和机器、设备等的声功率及频谱，测量某些电声器件和设备的效率等声学性能以及对灵敏机件作噪声疲劳试验等。（6）吸声系数当声波在室内碰到墙壁（包括天花板与地面）时，如果壁面并非刚性，它对声波具有一定的吸声能力，那么一部分入射波就要被壁面吸收，被壁面所吸收的能量与入射能量的比值称为壁面的吸声系数。（7）声阻抗（Z）声阻抗定义为媒质的质量密度和声速的乘积：Z=ρc其中，ρ质量密度（kg/m3）c媒质中的声速（m/s）声阻抗Z的单位为瑞利（kg/m2s）2、用对数标尺度量声学参数在确定声压、声强等声学参数时，习惯上规定环境温度20摄氏度，大气压等于一个标准大气压，即102.3kPa（1bar），作为标准状态。该状态下：dB标尺由于可检测到的声压幅值范围很大，而人耳对声压刺激的反应与对数规律有关，习惯上在表示声学参数时，都是取测量值和参考值比率的对数值，即采用dB标尺。其声压、声强和声功率的参考值规定如下：当P=P0时，为0dB;当P》P0时，为+；当P《P0时，为﹣与上面声强和声功率的参考值相对应，有效值参考声压为：P0=0.00002(Pa)=20μPa由听阈声压到痛阈声压的声音强弱可以由0-120dB的声压级来表示。声压级习惯上常流行的符号为SPL，但目前国际上采用推荐的符号为Lp。声压级是反映声音的大小、强弱的最基本参量。假如某一处的声压比参考声压大100倍，那么它们的比值就是100，取常用对数再乘以20，则该处的声压级为40dB。同理，假如某一处的声压比参考声压大100000倍，那么它们的比值就是100000，取常用对数再乘以20，则该处的声压级为100dB。从这两个例子可以看出，声压与参考声压的比值从100倍变为100000倍，增加了1000倍，用声压级表示仅增加了60dB，可见用声压级表示声音的大小，比采用声压来表示要简单的多。采用分贝(dB）来表达声学量值的主要原因，是由于人体听觉系统对声音强弱刺激的反应不是按线性(即逐渐加大）的规律变化的，而是成对数比例关系变化的，所以采用对数的分贝值可以适应听觉本身的特点。其次，日常生活中遇到的声音，若以声压值表示，变动范围是很宽的，当用对数换算后，就可以大为缩小声压的变化范围(从数值上看），因此用分贝来表示声学的量值是科学的。声压级习惯上常流行的符号为SPL，但目前国际上采用推荐的符号为Lp。声压级是反映声音的大小、强弱的最基本参量。休息5分钟人类只能听到20Hz~20KHz的声音，低于20Hz的声音为次声，高于20KHz的声音为超声。3、声计权频率计权人耳对声音的反应具有非线性特性和频率相关特性，这意味着对响度的感觉不能完全由声压级或它的谱来描述。用它模仿人耳对不同频率声音的灵敏性进行不同程度的衰减，使得仪器的输出能近似地表达人耳对声音响度的感觉。显然，这样的仪器测得的声压级不是声音原来的声压级，不是客观的物理量，已是认为的、表达主观评价的量。这种声压级成为计权声压级。IEC651-79标准规定A、B、C三种声信号计权函数。A计权相当于用40方的等响度曲线（倒置）去修正频响。A计权声级被证实是人耳对声压主观反应的极好校正，较好的模仿了人耳低频段（500Hz以下）不敏感，对1000-5000Hz敏感的特点。B计权和C计权则分别相当于70方和100方等响度曲线的倒置。这些计权曲线如图4-2所示。经过计权的声压级记作,LA,LB，而单位则写成dB（A）,dB（B）。标准计权曲线表2列出三种类型滤波器的衰减或放大相对响应值。声信号的计权4、噪声在通常情况下，我们往往把那些不希望听见的声音称为噪声，如环境噪声、交通噪声等。Enjoyablesound令人愉悦的声音Unwantedsound另人烦躁的声音Communication/warn交谈/报警声按照声源不同，噪声可分为：空气动力噪声—由气体振动产生。气体的压力产生突变，从而引起噪声，空气压缩机、电风扇的噪声属此类。机械噪声—由固体振动产生。金属板、齿轮、轴承等设备运行时，受到撞击摩擦及各种突变机械力的作用，会产生振动，引起噪声。液体流动噪声—液体流动中，由于液体内部的摩擦，液体与管壁的摩擦，或流体的冲击，都会引起液体和管壁的振动，产生噪声。按照时间变化特性，噪声可分为：稳定噪声—噪声的强度随时间变化不显著，如电机、织布机的噪声。周期性变化噪声—噪声的强度随时间有规律的起伏，周期性的时大时小地出现，如蒸汽机车的噪声。无规噪声—噪声随时间起伏变化无一定的规律，如街道交通噪声。脉冲声—噪声突然爆发又很快消失，持续时间不超过1s，并且两个连续爆发声之间间隔大于1s，如冲床噪声。噪声的频谱噪声的主要特点是：具备一定强度，用声压级表示；具有不同的频率成分，用频谱表示。噪声之所以可以区分就是它们具备了这两个特点的缘故。20HzAudiblerange20kHz纯音只包含一个频率成分的声音。大部分声音是复杂的，包含很多振幅不同的纯音。能量包含在一系列不连续的频率之中。乐器有特定的频率，组合在一起成为音乐。实际上，机器运转时的噪声都是不只一个频率的声音，它们是从低频到高频无数频率成分的声音的大合奏。有的机器高频的声音多一些，听起来高亢刺耳，如电锯辐射的主要噪声成分在1000Hz以上，这种噪声称为高频噪声。有的机器低频率声音多一些，听起来低沉有力，如空压机辐射的主要噪声成分在500Hz以下，我们叫做低频噪声。有的机器较为均匀地辐射从低频到高频的噪声，如纺织机，我们称之为宽频带噪声。5、声音与振动的关系声音产生的根源是因为有振动；振动的频率与声音频率相对应，根据声音的频率查找振动；(噪声振动测量)•噪声和振动水平的客观评价计算(量化定义,倒谱,倍频程限制,总体声压级,语音可懂度)•(找到信号中的特殊成分)•(噪声源识别)F0fundamentalF1harmonicF2F4F5F6F7?21?60?6000RPMRPMforderRPMfVibrationproblemidentification振动问题诊断车内的振动和噪声谱的相关,可以帮助我们找到噪声源NoisespectrumdB(A)噪声谱Vibrationspectrum(g)振动谱?NoiseandVibrationtimehistory(s)噪声和振动时域(s)中间休息5分钟！第二章：声品质1、声品质的基本概念2、声品质的分析（20分钟）（1）声信号、可听声频人类能听到的声频率上限为20kHz。低于这一频率限值的信号称为声信号（audiosignals）。为了避免出现频率混淆，对声信号采样，必须保证采样率至少大于该频率限值的两倍。你会发现，一般CD（光盘）记录器使用的采样率为44.1kHz，而DAT（数字式磁带数据记录仪）使用的采样率为48kHz，就是这个道理。（2）人对声音的感觉为什么人们对两种有相同dB值的声音会有可能完全不同的主观感觉呢？最主要的原因在于“听”的生理过程；1）人耳是一种复杂的非线性接收装置，具有特殊的、与频率相关的传导特性。2）“听”通常涉及到两耳（binaural），这也会影响对声音的感觉。这里还存在心理学因素的影响，诸如听者的姿势、经历、期望、环境、当时的前前后后情况等。结论是，无论你在量化和模型化方面作出怎样的努力，没有什么比人的听觉更好的评判（judge）声品质的方法。（3）双耳听觉1）左耳和右耳接受的声信号在时间上存在相对的延迟，感受的声压谱因声音的方向不同而存在差别。2）人脑的处理功能不仅能对声音作出空间上的定位，而且能抑制不想听的声音，并把听力凝聚在某一来自特定方向的声音。这就是所谓的“派对”（party）效应，即一个人的听力可以聚焦在某方向确定的距离处，而不理睬明显的背景噪声的存在。同样声压级和1/3倍频程频谱，不同响度级77.0dB(A),36.7sone77.0dB(A),14.0sonegood3rdoctavespectrum1/3倍频程频谱分析spec.Loudness指定响度级spec.Roughness指定粗糙度级“noisy”不好的声音-3dB“good”好的声音3rdoctavespectrum1/3倍频程频谱分析spec.Loudness指定响度级spec.roughness指定粗糙度级车厢内的发动机抖振声,3档加速过程好差2、声品质分析声品质的基本问题之一是“你听到的不是你得到的”。声学的大多数问题或声学的研究方向，都是对声学舒适性，而不是听力损伤或结构损伤。声信号分析所有关心的问题都指向去测量、评价和改变声信号。主要包括以下步骤:测量、双耳记录和回放、评价、修改选择测量分析工具如果你选择的分析工具可以达到下面的分析效果，那么你对该声音信号和其它传感器采集的信号就运用了正确的分析工具看见了你和你的用户所听见（投诉）的声音要做到这一点，你首先必须要仔细监听声音文件，并且你应该对这种声音很熟悉，这样你才能选用正确的分析工具进行分析。不要不加思索就选用一种分析工具，要先想想该分析工具的分析结果是否有效。评价为评价声品质特性，不同的（非排他性的）可能途径如下：a.声信号可由专家或听众评判员进行主观评价。为此，可重放数字记录仪记录的信号，或者直接将模拟式输出信号传送至头戴受话器（耳机）或扬声器。当采用直接回放方式时，可循环地重复播放某一特定的记录段，并在技术上提供对记录段起端和末端出现“咔哒”声的抑制，其作用如同在线的陷波滤波器。而陷波滤波器则用于关键的声谱性质的快捷评估。b.对声压信号作某些特殊的处理，通过得到各种声品质度量数据，给出声感觉的定量分析。这些声品质度量就成为声舒适性（comfort）分析的组成部分。声音的真实记录和再现声音的真实再现（运用双耳技术）可以把听者带回到原始的声场环境中去在进行听觉测试或音质测试时，由于可以真实再现原始的声场环境，就可以最大限度的避免产生差异在人脑进行正常的信号