声学基础知识

声学基础知识声学基础知识声音是如何产生的振动的物体能使邻近的空气分子振动，这些分子又引起它们邻近的空气分子振动，从而产生声音，声音以声波的形式传递，这种传递过程叫声辐射。由于分子振动产生的声波的方向与波传递的方向相同，所以是一种纵波。声音必须在介质中传播，无论是固体、液体还是气体，都可以作为介质。声音的基本性质“声”由声源发出，“音”在传播介质中向外传播。声音在固体中的传播速度最快，其次是液体，声音在气体中传播的速度最慢。声波的基本量f：频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）频率高的声音称为高音，频率低的声音称为低音。：波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位m(米)。声波完成一次振动所走的距离。C：声速，声波在某一介质中1秒钟传播的距离。单位m/s。声速受温度的影响，用下式表示为：C=331.5+0.6t(m/s)声音是声波作用于人耳引起的主观感受，人耳对声波频率的主观感觉范围为20Hz~20kHz，通常称此范围为音频；低于20Hz为次声波，高于20kHz为超声波。波长公式声波的基本量=c/f波长＝声速/频率通过计算波长我们可知道最高可听声和最低可听声的范围声压疏密波压力的大小称为声压。压力变化的幅度越大，听觉上声音越大，振幅小的声音小。单位Pa。引起人耳听到声音时的声压为可闻阈，它与声源的频率及人的年龄有关。使人的耳膜感到疼痛时的声压为痛阈。声强单位面积，单位时间内通过声音的能量称为声强(能量密度），单位w/m²。声功率声源在单位时间内所发出的声能称为声功率，单位W（瓦）。声波的基本量声音的三要素响度又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB—140dB。音高也称音调，表示人耳对声音调子高低的主观感受。客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹(Hz)表示。音色又称音品，由声音波形的谐波频谱和包络决定。声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。音色音高响度声音的叠加单频率的正弦波称为纯音，声音是由基波和高次谐波组成当两上或多个具有相同频率和振幅的正弦波信号叠加在一起，其合成的信号还具有同样的频率，其振幅由两原信号的相位关系所决定。当相位相同，振幅则会增加。当两个信号完全相反时，则全部抵消。分贝分贝（decibel）dB分贝是以美国发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔命名的，他因发明电话而闻名于世。因为贝尔的单位太粗略而不能充分用来描述我们对声音的感觉，因此前面加了“分”字，代表十分之一。一贝尔等于十分贝。声学领域中，分贝的定义是声源功率与基准声功率比值的对数乘以10的数值;其简单表达式lgA/B。而分贝，即dB＝10lgA/B。单位为dB。根据公式计算以及工作中的经验，我们得出以下结论。在电声领域中，分贝这个量的变化关系恰恰和人耳的听觉强弱感受非常吻合，这也给声学计算打下了一个良好的基础。功率增加一倍，声压增加3dB。距离增加一倍，声压减少6dB(自由声场的情况下)常见声源的声压级-分贝窃窃私语：20dB~35dB人声语言：30dB~80dB女高音：35dB~105dB男高音：40dB~95dB小提琴：40dB~100dB打击乐：55dB~105dB交响乐：20dB~120dB本底噪声在厅堂声学设计中，本底噪声是指房间内部自身振动或外来干扰而形成固有的噪声，大小仍以声压级dB的方式表示。厅堂的本底噪声是建筑声学设计以及专业音响工程需要涉及和控制的一个基本物理量，它的大小、处理方式对厅堂的声学环境有着重要意义。由于本底噪声主要来自于外界环境噪声和振动、设备噪声和振动两个方面。在音响工程中，这两方面的内容都会不同程度上的涉及：一是在建筑上进行隔声，二是在设备上降低噪声。十一、各种场所的噪声级分贝（dB）场所120飞机起飞着路时，正下方110列车通过铁路桥时，正下方100地铁行车时，车厢内90公共汽车内80白天十字路口70普通讲话60安静的街头50安静的办公室40安静的住宅小区，白天30安静的住宅小区，夜晚声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。声波的绕射当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时，声波将被反射。类似于光在镜子上的反射。声波的反射反射的定律：1）入射线、反射线法线在同一侧。2）入射线和反射线分别在法线两侧。3）入射角等于反射角。Li=L声波的反射室内声音反射的几种情况当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，形成扩散。声波的散射声波的透射与吸收声波具有能量，简称声能。当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。透射系数：反射系数：吸声系数：EEEEoEoEiEoErEoEiEaEoErr11不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。声音在室内传播当一个声源在室内发声，任一点听到的声音按照先后顺序分为直达声、早期反射声和混响声。声音在室内传播直达声混响声是指声源发出的声波经过室内界面多次反射，迟于早期反射声到达听音点的声音。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，不受空间界面的影响。早期反射声早期反射声是指延迟直达声50毫秒以内到达听音点的反射次数较少的声音，包括一次、二次或少数三次反射声。混响声混响时间V:房间的容积,单位为立方米(M3)S:房间表面积的总和,单位为(M2)ā:房间表面的平均吸声系数,百分率，ā=S1a1+S2a2+…Snan÷S1+S2+…SNS1…Sn和a1…an：分别代表房间表面的每个面的面积和它们的吸声系数混响时间（ReverberationTime），表示声音混响程度的参量，声源停止发声后，声压级减少60分贝所需要的时间，单位为秒。用T60或RT表示。aSVRT16.060混响时间过长，会使声音含混不清；合适时声音圆润动听。房间的混响长短是由它的吸音量和体积大小所决定的，体积大且吸音量小的房间，混响时间长，吸收强且体积小的房间，混响时间就短。混响时间过短，声音发干，枯燥无味，不亲切自然。混响时间参考混响时间厅堂类型参考混响时间电影院1.0~1.2Sec会议厅1.0~1.4Sec音乐厅1.5~1.8Sec电视演播室0.8~1.0Sec语言录音室0.3~0.4Sec录音控制室0.3~0.4Sec多轨录音棚0.6Sec回声比听到直达声迟50毫秒以上，可以从直达声中分离出来的反射声叫做回声。混响是来自于很多的反射声，听到的是连续的衰减声音。回声是可以清晰的分离出来听到的反射声。回声使声音的清晰度明显下降，房间越大，墙壁反射性越强越容易产生，增加墙壁的吸声能力，改变墙壁的角度可以防止回声。语言清晰度（可懂度）语言清晰度和可懂度是语言经过传输，受到各种失真（处理）和干扰后，能够听清或听懂的程度。目前，经常使用的清晰度的评价方法叫做STI。这种测量方法的特征是计算自声源连续发出声音的直达声，经过各种各样的反射，以及噪声的干扰程度，并用0～1的数值表示听取的难以程度。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91不良不可可良优语言清晰度和其它声学概念的关系语言清晰度和可懂度的关系单句可懂度高于单词可懂度。语言清晰度和声压级的关系在一定声压级范围内，语言清晰度是随声压级的增大而提高的，但达到一定值后，声压级的增大反而会使清晰度下降。语言清晰度和信噪比的关系在背景噪声较强的情况下，利用一定的手段提高信号的信噪比，可以使语言清晰度得以提高。声聚焦：由于室内存在的凹面，使部分区域的声音汇集在某一个焦点上，从而造成室内声场分布不均匀的现象。房间的特殊声学现象死点：由于声音的聚焦或干涉形成某点（或某区域）声音严重不足的情况。声影区：由于建筑物或折射的原因，造成声音不能辐射到的区域。声染色：由于房间频率相应的问题，原始声音在传播过程中被赋予了额外的声音特征。倍频程：通常将可闻频率范围内20~20KHz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十一个，为：1631.5631255001K2K4K8K16K倍频程1/3倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：202531.540506380100125160...在评价乐器或声音时，频谱结构在很大程度上决定声音的音质。了解声音频谱与音质的内在关系，有助于声音的调整和修饰。这对声音的前期处理喝后期加工都是十分必要的。频谱与音质的关系频谱划分高频段：7kHz以上中高频段：2kHz~7kHz中低频段：500Hz~2kHz低频段：500Hz以下高频频谱与音质的关系声音的高频成分多，表现出声音明亮、清晰、锐利。高频成分过多，声音就会刺耳、有丝丝声，轮廓过于清楚，声音硬、缺乏弹性；高频成分适中，则声音开阔、活跃、透明清晰、自然，但是可能细节过分清楚；高频成分少，声音圆润、柔和、丰满，但是明亮度下降。动态出不来、沉重、浑浊。中频频谱与音质的关系声音的中频主要包括中高频和中低频，中频成分多时，声音表现有力、活跃清晰、透亮；中频成分过多，声音动态出不来、浑浊有号角声，鸣声（500～800Hz）、电话声（2～4kHz）、刺耳声（4～7kHz）、金属声（3～5kHz）；中频成分适中，声音自然、中性、圆滑、悦耳，但声音可能无活力、平淡；中频成分过少，声音圆润柔和，但是显得松散。低频频谱与音质的关系声音的低频成分多，声音有气魄、厚实、有力、有温暖感、柔和、圆润、丰满；低频成分过多，声音浑浊、沉重、有隆隆声；低频成分适中，声音丰满低沉、坚实；低频成分过少，声音可能会比较干净，但是单薄无力。人耳听觉特性和有关问题声音是一种物理现象，人耳听到后的感受则是一种心理现象。人耳具有分辨声音的强度、音调及音色的能力，还能够分辨出声像的方向和深度，并感受到空间感及纵深感。人耳的结构人耳的结构：外耳、中耳、内耳、骨传导听觉范围最高最低频率可听极限一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。最小最大可听极限人耳有一定的适应性，常人上限为120dB,经常噪声暴露的人有可能达到135~140dB。下限频率与频率有关。最小可辩阈（差阈）声压级变化的察觉：一般是1dB3dB以上有明显感觉频率变化的察觉：一般是3%，低频时3Hz。等响度曲线人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于低于1000Hz和高于4000Hz的声音，灵敏度降低。不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。以1000Hz连续纯音作基准，测听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级构成一条曲线叫“等响曲线”。响度单位是“方”。随着声压级的提高，对频率的相对敏感度也不同声压级高，相对变化感觉小；声压级低，相对变化感觉大。40方等响2087dB31.575dB6358dB12545dB25043dB50042dB1K40dB2K36dB4K32dB8K48dB听觉定位人耳判断声源的远近比较差，但确定声源的方向比较准确。人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对时间差和强度差进行判断。人耳的水平方向感要强于竖直方向感。通常，频率高于1400Hz强度差起主要作用；低于1400Hz时，时间差起主要作用。这就是人为什么对蚊子的定位比较准而对电话铃声的定位比较差的原因。人耳特性哈斯(Hass)效应人耳有声觉暂留现象，人对声音的感觉在声音消失后会暂留一小段时间。如果到达人耳的两个声音的时间间隔小于50ms，那么就不会觉得声音是断续的。直达声到达后50ms以内到达的反射声会加强直达声。直达声到达后50ms后到达的“强”反射声会产生“回声”——哈斯效应。根据哈斯效应，人耳在多声源发声内容相同的情况下，判断声源位置主要是根据“第一次到达”的声音。因此，