聲學(xué)基礎(chǔ)PPT課件

第2章聲學(xué)基礎(chǔ),2.1聲波的基本性質(zhì)2.2聽覺的基本特性2.3立體聲基本原理2.4室內(nèi)聲學(xué)思考題與習(xí)題,2.1聲波的基本性質(zhì),2.1.1聲波,聲音聲波與聲音是兩個(gè)有聯(lián)系,又有區(qū)別的概念.1.聲波物體的振動(dòng)會(huì)引起周圍媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)由近及遠(yuǎn)的波動(dòng),稱之為聲波.引起聲波的物體稱為聲源.傳播聲波的物質(zhì)稱為媒質(zhì).,揚(yáng)聲器發(fā)聲時(shí),會(huì)引起周圍空氣的振動(dòng)而產(chǎn)生聲波,其傳播方向與空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相同.因而,聲波是一種縱波.聲音聲音是聲源振動(dòng)引起的聲波傳播到聽覺器官所產(chǎn)生的感受.可見,聲音是由聲源振動(dòng),聲波傳播和聽覺感受3個(gè)環(huán)節(jié)所形成的.,2.1.2聲速,波長和頻率聲波能在空氣,液體及固體等媒質(zhì)中傳播,但不能在真空中傳播.1.聲速聲波在媒質(zhì)中每秒鐘內(nèi)傳播的距離稱為聲速,用符號c表示,單位為m/s.聲速與媒質(zhì)的密度,彈性等因素有關(guān),而與聲波的頻率,強(qiáng)度無關(guān).當(dāng)溫度改變時(shí),由于媒質(zhì)特性的變化,聲速也會(huì)發(fā)生變化.當(dāng)溫度為15時(shí),聲波在空氣,水和鋼中的聲速分別為340m/s,1450m/s和5100m/s.當(dāng)溫度升高時(shí),聲速略有增加.,2.波長和頻率聲波在一個(gè)周期內(nèi)傳播的距離稱為波長,用符號表示,單位為m.聲波在每秒鐘內(nèi)周期性振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率,用符號f表示,單位為Hz.聲速,波長和頻率之間的關(guān)系為c=f(2-1)可見,聲波的頻率越高,則其波長越短.,2.1.3聲壓,聲壓級聲波的強(qiáng)度可用聲壓,聲壓級來定量描述.1.聲壓大氣靜止時(shí)存在著一個(gè)壓力,稱為大氣壓強(qiáng),簡稱氣壓.當(dāng)有聲波存在時(shí),局部空間產(chǎn)生壓縮或膨脹,在壓縮的地方壓力增加,在膨脹的地方,壓力減小,于是就在原來的靜態(tài)氣壓上附加了一個(gè)壓力的起伏變化.這個(gè)由聲波引起的交變壓強(qiáng)稱為聲壓.,聲壓的大小表示聲波的強(qiáng)弱.在一定時(shí)間內(nèi),瞬時(shí)聲壓對時(shí)間取均方根值稱為有效聲壓.用電子儀表測量得到的通常是有效聲壓,人們習(xí)慣上講的聲壓實(shí)際上也是有效聲壓.聲壓的國際單位是“Pa”（帕）,1Pa1N/m2,大氣壓105Pa.聲壓與大氣壓相比是極其微弱的.正常人能聽到的最弱聲音約為210-5Pa,稱為參考聲壓,用符號Pr表示.,2.聲壓級人耳有一個(gè)很奇怪的特點(diǎn),主觀感受的響度并不是正比于聲壓的絕對值,而是大體上正比于聲壓的對數(shù)值.為此,在聲學(xué)中還用聲壓級來描述聲波的強(qiáng)弱,用符號SPL表示,單位為dB(分貝).聲壓級定義如下:,(2-2),式中Pe為聲壓有效值,Pr為參考聲壓,可見,人耳能聽到的最弱聲音,即參考聲壓級為0dB.,2.1.4反射,繞射和干涉聲波在傳播中會(huì)產(chǎn)生反射,繞射和干涉等現(xiàn)象,并具有一定的傳播規(guī)律.1.反射聲波從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)的分界面時(shí),會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象.例如聲波在空氣中傳播時(shí),若遇到堅(jiān)硬的墻壁,一部分聲波將反射.如圖2-1(a)所示,反射角等于入射角,反射聲波好像從墻后的另一聲源s發(fā)射出來一樣,s被稱為聲像.聲像s與聲源s到墻壁的距離相等.,當(dāng)聲波遇到凹面墻時(shí),其反射現(xiàn)象如圖2-1(b)所示.聲源s發(fā)出的聲波經(jīng)凹面墻反射后集中到s點(diǎn),稱為聲波的聚焦.當(dāng)聲波遇到凸面墻時(shí),將產(chǎn)生擴(kuò)散反射現(xiàn)象,如圖2-1(c)所示.,圖21聲波的反射,2.繞射當(dāng)聲波遇到障礙物時(shí),會(huì)有一部分聲波繞過障礙物而繼續(xù)向前傳播,這種現(xiàn)象稱為繞射,又稱衍射.繞射的程度取決于聲波的波長與障礙物大小之間的關(guān)系.若聲波波長遠(yuǎn)大于障礙物線度尺寸,則繞射現(xiàn)象非常顯著；若聲波波長遠(yuǎn)小于障礙物線度尺寸,則繞射現(xiàn)象較弱,甚至不發(fā)生繞射.因此,對于同一個(gè)障礙物,頻率較低的聲波較易繞射,而頻率較高的聲波不易繞射.,3.干涉干涉是指媒質(zhì)的同一部分能夠同時(shí)傳播任意多個(gè)不同的聲波,這些聲波獨(dú)立傳播,彼此互不干擾.在任一時(shí)刻,媒質(zhì)中微粒的位移是該時(shí)刻每一個(gè)單獨(dú)聲波對該微粒產(chǎn)生位移的代數(shù)和.,2.2聽覺的基本特性,2.2.1可聞聲,聽閾和痛域可聞聲,聽閾和痛域決定了人耳的聽覺范圍.1.可聞聲可聞聲是指正常人可以聽到的聲音頻率范圍:20Hz20kHz,稱為音頻.20Hz以下稱為次聲,20kHz以上稱為超聲.在音頻范圍內(nèi),人耳對中頻段14kHz的聲音最為靈敏,對低頻和高頻段的聲音則比較遲鈍.對于次聲和超聲,即使強(qiáng)度再大,人們也是聽不到的.,2.聽閾和痛域可聞聲必須達(dá)到一定的強(qiáng)度才能被聽到,正常人能聽到的強(qiáng)度范圍為0140dB.使聲音聽得見的最低聲壓級稱為聽閾,它和聲音的頻率有關(guān).使耳朵感到疼痛的聲壓級稱為痛域,它與聲音的頻率關(guān)系不大.通常聲壓級達(dá)到120dB時(shí),人耳感到不舒適；聲壓級大于140dB時(shí),人耳感到疼痛；聲壓級超過150dB時(shí),人耳會(huì)發(fā)生急性損傷.正常人的聽覺范圍如圖2-2所示.語言和音樂只占整個(gè)聽覺范圍的很小一部分.,圖2-2可聞聲的強(qiáng)度與頻率范圍,2.2.2響度,音調(diào)和音色聲音在物理上可以用聲壓的幅度,頻率和頻譜3個(gè)客觀參量來描述；而在聽覺上則常用響度,音調(diào)和音色3個(gè)主觀參量來描述,俗稱聲音三要素.1.響度響度俗稱音量,是指人耳對聲音強(qiáng)弱的主觀感受.響度不僅正比于聲音強(qiáng)度的對數(shù)值,而且與聲音的頻率有關(guān).,響度級對于強(qiáng)度相同而頻率不同的聲音,人們會(huì)有不同的響度感覺.例如頻率為100Hz和1000Hz的兩個(gè)純音,聲壓均為0.002Pa,聽起來卻不一樣響,感覺到后者比前者響得多.,等響曲線如上所述,利用與基準(zhǔn)音比較的實(shí)驗(yàn)方法,測得一組一般人對不同頻率的純音感覺一樣響的響度級與頻率及聲壓級之間的關(guān)系曲線,稱為等響曲線.如圖2-3所示是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推薦的等響曲線,它是對大量具有正常聽力的年青人進(jìn)行測量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,反映了人類對響度感覺的基本規(guī)律.,圖2-3等響曲線,2.音調(diào)音調(diào)又稱音高,是指人耳對聲音音調(diào)高低的主觀感受.音調(diào)主要決定于聲音的基波頻率,基頻越高,音調(diào)越高；同時(shí)還與聲音的強(qiáng)度有關(guān).音調(diào)的單位是“美”,頻率為1000Hz,聲壓級為40dB的純音所產(chǎn)生的音調(diào)定義為1美.,音調(diào)與聲音強(qiáng)度的非線性關(guān)系可由圖2-4所示的曲線來描述.可以看出,在低頻段,音調(diào)受聲音強(qiáng)度變化的影響較大.,圖2-4音調(diào)變化與響度級的關(guān)系,3.音色音色是指人耳對聲音特色的主觀感受.音色主要決定于聲音的頻譜結(jié)構(gòu),還與聲音的響度,音調(diào),持續(xù)時(shí)間,建立過程及衰變過程等因素有關(guān).因而音色比響度,音調(diào)更復(fù)雜.,聲音的頻譜結(jié)構(gòu)用基頻,諧頻數(shù)目,幅度大小及相位關(guān)系來描述.不同的頻譜結(jié)構(gòu),就有不同的音色.即使基頻相同,音調(diào)相同,但若諧頻結(jié)構(gòu)不同,則音色也不同.例如鋼琴和黑管演奏同一音符時(shí),其音色是不同的,因?yàn)樗鼈兊闹C頻結(jié)構(gòu)不同,如圖2-5所示.,圖2-5鋼琴和黑管各奏出以100Hz為基音的樂音頻譜圖,2.2.3聽覺靈敏度聽覺靈敏度是指人耳對聲壓,頻率及方位的微小變化的判斷能力.當(dāng)聲壓發(fā)生變化時(shí),人們聽到的響度會(huì)有變化.例如聲壓級在50dB以上時(shí),人耳能分辨出的最小聲壓級差約為1dB；而聲壓級小于40dB時(shí),要變化13dB才能覺察出來.,2.2.4掩蔽效應(yīng)掩蔽效應(yīng)是指同一環(huán)境中的其它聲音會(huì)使聆聽者降低對某一聲音的聽力.一個(gè)較強(qiáng)的聲音往往會(huì)掩蓋住一個(gè)較弱的聲音,特別是當(dāng)這兩個(gè)聲音處于相同的頻率范圍時(shí).掩蔽效應(yīng)在音響技術(shù)中得到應(yīng)用.如一些降噪系統(tǒng)就是利用掩蔽效應(yīng)的原理設(shè)計(jì)的,信噪比的概念及其指標(biāo)要求也是根據(jù)掩蔽效應(yīng)提出來的.在數(shù)字音源中,可利用掩蔽效應(yīng)進(jìn)行壓縮編碼.,2.3立體聲基本原理,2.3.1立體聲基本概念1.立體聲定義立體聲對我們來說并不陌生,日常聽到的自然界的聲音就是立體聲.如置身音樂廳欣賞那種此起彼伏的旋律,無不以美的魅力感染著我們.,2.立體聲成分為了使重放立體聲給人有身臨其境的感覺,必須了解真實(shí)生活中節(jié)目演出現(xiàn)場的自然立體聲是由哪些成分構(gòu)成的?哪些成分是構(gòu)成聽眾臨場感的要素?由于目前立體聲節(jié)目絕大多數(shù)是音樂,歌曲,戲劇,因此,僅以音樂廳的立體聲為例進(jìn)行說明.,我們以舞臺(tái)上左右前后錯(cuò)開的各種樂器組成整個(gè)樂隊(duì).他們演奏時(shí),到達(dá)聽眾耳際的聲音可分為三類:第一類為直達(dá)聲.第二類為反射聲.第三類為混響聲.,3.立體聲的特點(diǎn)與單聲道重放聲相比,立體聲具有一些顯著的特點(diǎn).（1）具有明顯的方位感和分布感用單聲道放音時(shí),即使聲源是一個(gè)樂隊(duì)的演奏,聆聽者仍會(huì)明確地感到聲音是從揚(yáng)聲器一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的.（2）具有較高的清晰度用單聲道放音時(shí),由于辨別不出各聲音的方位,各個(gè)不同聲源的聲音混在一起,受掩蔽效應(yīng)的影響,使聽音清晰度較低.,（3）具有較小的背景噪聲用單聲道放音時(shí),由于背景噪聲與有用聲音都從一個(gè)點(diǎn)發(fā)出,所以背景噪聲的影響較大.（4）具有較好的空間感,包圍感和臨場感立體聲系統(tǒng)放音對原聲場音響環(huán)境的感覺是單聲道放音所望塵莫及的.這是因?yàn)榱Ⅲw聲系統(tǒng)能比單聲道系統(tǒng)更好地傳輸近次反射聲和混響聲.,2.3.2聽覺定位機(jī)理人對聲音方向的定位能力是由聽覺的定位特性決定的.產(chǎn)生聽覺定位的機(jī)理是復(fù)雜的,其基本原因是聲音到達(dá)左右耳的時(shí)間差,聲級差,進(jìn)而引起相位差,音色差所造成的；也與優(yōu)先效應(yīng),耳殼效應(yīng)等因素有關(guān).確定一個(gè)聲源的方位,需要從平面,距離,高度3個(gè)方面來定位.,1.聲源平面定位1896年,英國物理學(xué)家瑞利提出了雙耳效應(yīng)假設(shè).隨后,有關(guān)學(xué)者經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的深入研究,證實(shí)并發(fā)展了這一理論.雙耳效應(yīng)理論揭示了人類聽覺能在平面范圍內(nèi)判別聲音方位的機(jī)理.它是從時(shí)間差,相位差,聲級差,音色差4個(gè)方面進(jìn)行解釋的.,圖2-6雙耳效應(yīng),(1)時(shí)間差設(shè)聲源在聆聽者聽覺平面的右前方較遠(yuǎn)處發(fā)聲,用聲線表示聲波的傳播方向,如圖2-6所示.從右前方傳來的聲音,到達(dá)右耳的路徑短,到達(dá)左耳的路徑長,聲音到達(dá)兩側(cè)耳殼處的時(shí)間差可近似為,(2-3),式中l(wèi)表示兩耳距離；表示聲源與人頭中心線的夾角,稱為平面入射角；c為聲速.設(shè)l=20cm,c340m/s,則t0.62sin(ms)(2-4),(2)由于傳到兩耳的聲音存在時(shí)間差,因而也會(huì)產(chǎn)生相位差.對于頻率為f的純音,相位差與時(shí)間差有如下關(guān)系:=2ft(2-5)將(2-1)和(2-3)式代入上式,可得,(2-6),(3)聲級差兩耳雖然相距不遠(yuǎn),但是,由于頭顱的阻隔作用,使得從某方向傳來的聲音需要繞過頭部才能到達(dá)離聲源較遠(yuǎn)的一只耳朵中去.在傳播過程中,其聲壓級會(huì)有一定程度的衰減,使兩側(cè)耳殼處產(chǎn)生聲級差.(4)音色差當(dāng)聲源不是單一頻率的純音,而是一個(gè)復(fù)音時(shí),情況要復(fù)雜些.如一個(gè)樂器發(fā)出的聲音,可以分解為一個(gè)基頻聲和許多諧頻聲.,2.聲源距離定位人耳對聲源距離的定位,在室外主要依靠聲音的強(qiáng)弱來判斷,在室內(nèi)則主要依靠直達(dá)聲與反射聲,混響聲在時(shí)間上,強(qiáng)度上的差異等因素來判斷.,3.聲源高度定位聲源的高度位置由聲波在垂直面上的入射角（仰角）和直線距離兩個(gè)坐標(biāo)量來確定.直線距離的定位機(jī)理與前面所闡述的相同,而仰角定位是理論上尚未圓滿解決的問題.,2.3.3雙揚(yáng)聲器聲像定位聆聽重放的立體聲時(shí),聽覺器官幻覺中的聲源位置稱為聲像.聲像是立體聲技術(shù)研究的首要問題.聲像分布,聲像清晰度是最終體現(xiàn)立體聲效果的要素；是研究立體聲系統(tǒng),設(shè)計(jì)立體聲設(shè)備和指導(dǎo)放聲布局及聆聽方法的重要依據(jù).,1.雙揚(yáng)聲器聲像定位實(shí)驗(yàn)在重放立體聲時(shí),要使聽眾所感到的聲源相對空間位置能接近實(shí)際聲源的相對空間位置,從而產(chǎn)生身臨其境的感覺,最容易想到的方式是采用和原聲源數(shù)目一樣的電聲傳輸通道,并將各路揚(yáng)聲器在重放聲場中按原發(fā)聲場聲源相對應(yīng)的空間位置布局,但是,這種模擬既不經(jīng)濟(jì)也不適用.,為解決立體聲重放問題,歷史上曾作過許多努力.本世紀(jì)30至50年代,不少學(xué)者相繼通過實(shí)驗(yàn)和理論研究,探明了雙揚(yáng)聲器放聲時(shí)對聽覺所產(chǎn)生的一些效應(yīng),如雙耳效應(yīng),哈斯效應(yīng)及界外現(xiàn)象等.他們所進(jìn)行的雙揚(yáng)聲器聲像定位實(shí)驗(yàn)框圖如圖2-7所示.,圖2-7雙揚(yáng)聲器放聲實(shí)驗(yàn),2.聲像分布聲像分布與其所對應(yīng)的原發(fā)聲場各點(diǎn)聲源空間分布的一致性,標(biāo)志著立體系統(tǒng)的準(zhǔn)確性.這種準(zhǔn)確性是從立體聲節(jié)目制作直至重放過程中系統(tǒng)綜合性能的體現(xiàn).聲像分布與聲級差及頻率域的關(guān)系,在數(shù)學(xué)上可由著名的正弦定理來描述:,(2-7),方位角,是聆聽角,L,R分別為左,右兩聲道的信號強(qiáng)度,K是修正系數(shù).當(dāng)信號頻率f700Hz時(shí),K1；當(dāng)f700Hz時(shí),K1.4.讀者可聯(lián)系圖2-7來理解(2-7)式.正弦定理告訴我們:改變左右兩只揚(yáng)聲器的發(fā)聲強(qiáng)度,聲像將定位在兩只揚(yáng)聲器之間.,圖2-8階梯頻響校正特性,3.聲像清晰度聲像清晰度與聲像寬度有關(guān).由于人對前方聲源方位角的定位精度平均值約為4,所以聲像實(shí)際上不可能是一個(gè)點(diǎn),而在揚(yáng)聲器基線B上有一定寬度,寬度越小,聲像清晰度越高.,2.3.4雙聲道立體聲拾音拾音是指用傳聲器拾取聲音,并將聲音變換為電信號.雙聲道立體聲采用兩個(gè)傳聲器拾音,產(chǎn)生左右兩個(gè)聲道信號,供給雙揚(yáng)聲器放聲.根據(jù)兩個(gè)傳聲器放置方式不同,構(gòu)成了A-B制,X-Y制,M-S制和仿真頭制等拾音方式.,圖2-9A-B制拾音方式,1.A-B制A-B制拾音方式是將兩只型號及性能完全相同的傳聲器并排放置于聲源的前方,左右兩只傳聲器拾音后分別將信號送至左右兩個(gè)聲道.兩只傳聲器間距視聲源的寬度而定.通常為幾十cm至幾m.傳聲器可選用全指向性的或單指向性的.A-B制拾音方式如圖2-9所示.由圖可知,當(dāng)聲源不在正前方時(shí),聲源到達(dá)兩只傳聲器的路程是不同的.在A-B制拾音方式中,如果兩只傳聲器相距較遠(yuǎn),聽音時(shí)還會(huì)產(chǎn)生中間空洞現(xiàn)象.,2.X-Y制X-Y制拾音方式采用兩只型號及特性完全一致的傳聲器,上下靠緊安裝在一個(gè)殼體內(nèi),構(gòu)成重合傳聲器.兩只傳聲器的指向性主軸形成90120的夾角,主軸朝向左邊和右邊的傳聲器輸出的信號分別送入左,右聲道,如圖2-10所示.,圖210X-Y制拾音方式,.-制-制拾音方式是將一只傳聲器M的指向性主軸對著拾音范圍的中線,而另一只傳聲器S的指向性主軸則向著兩邊,兩只傳聲器的指向性主軸夾角為90.,采用這種拾音方式時(shí),M傳聲器拾得的是整個(gè)聲場的信號,而S傳聲器拾得的是聲場兩側(cè)的信號.M信號相當(dāng)于左右信號之和,即M=LR；而S信號相當(dāng)于左右信號之差,即S=LR.所以,M和S兩只傳聲器所拾得的信號必須進(jìn)行和差變換才能成為左右聲道的信號,如圖2-11所示.,圖211M-S制拾音方式,M-S制拾音方式也將兩只傳聲器上下靠緊安裝在一個(gè)殼體內(nèi),構(gòu)成重合傳聲器.因而,其拾得的信號也只有聲級差,由于M傳聲器拾得的是全聲場的信號,LR=M可供給單聲道系統(tǒng)放聲,因而有較好的兼容性.4.仿真頭制仿真頭制拾音方式是將兩只放置在用塑料或木材仿照人頭形狀做成的模擬人頭的兩耳部位,這兩只傳聲器輸出的信號分別做為左右聲道的信號.,2.4室內(nèi)聲學(xué),2.4.1室內(nèi)聲學(xué)特性對音響效果有決定作用的室內(nèi)聲學(xué)特性包括3個(gè)方面,即室內(nèi)聲場分布,隔音效果和混響效果.,1.聲場分布理想的室內(nèi)聲場分布應(yīng)該是均勻的,即室內(nèi)空間各點(diǎn)的聲能密度均勻一致.如果室內(nèi)聲場不均勻,在發(fā)出猝發(fā)聲后,會(huì)有嗡嗡聲不絕于耳,如同洞穴里的拖尾音效果,將影響正常聽音.造成室內(nèi)聲場不均勻的因素很多,如四周形狀,物件擺設(shè)等,其中首先應(yīng)該考慮的是房間尺寸.,在波動(dòng)聲學(xué)中,已經(jīng)推導(dǎo)出房間高,寬,長合理的尺寸比例范圍,如圖2-12白色部分所示,其中,兩點(diǎn)是合適的,點(diǎn)是不合適的,點(diǎn)在實(shí)踐中證明是可行的.應(yīng)該記住的一條原則是不要使高,寬,長的比例為整數(shù)之比,如2是不合適的.房間尺寸比例合適是產(chǎn)生均勻聲場的必要條件,但不是唯一的條件.,圖2-12房間高,寬,長合理的尺寸比例范圍,2.隔音效果隔音是為了防止外來噪聲干擾音響效果.外界的噪聲來源很多,如馬路上的汽車?yán)嚷?行人的喧鬧聲,空調(diào)機(jī)的振動(dòng)聲,鼓風(fēng)機(jī)的馬達(dá)聲等.3.混響效果混響效果決定于混響時(shí)間,與室內(nèi)吸聲能力的強(qiáng)弱有關(guān),是影響音響效果的主要因素,下面將進(jìn)行詳細(xì)些的討論.,2.4.2混響時(shí)間1.混響時(shí)間估算混響時(shí)間與房間的容積,面積,墻面地面及天花板材料的吸聲系數(shù)有關(guān),還與房間內(nèi)物件擺設(shè)及人員多少等因素有關(guān).通常,在聲場均勻分布的封閉室內(nèi)的混響時(shí)間,可用著名的賽賓公式進(jìn)行工程估算:,(2-8),式中T60為混響時(shí)間,下標(biāo)表示衰減60dB所需的時(shí)間；V為房間的容積,單位為m3；S為室內(nèi)總表面積,包括地面,四周墻面及天花板,單位為m2;為室內(nèi)表面的平均吸聲系數(shù),可由下式求得:,(2-9),2.最佳混響時(shí)間一個(gè)房間的混響時(shí)間不同,其音響效果亦不同.混響時(shí)間過短,只能聽到直達(dá)聲和近次反射聲,使人感到聲音干悶