声学原理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电 声,基础知识,一、声波的基本性质,上半年,声波与声场,01,上半年,声场中的能量,02,下半年,声波的传播,03,声音是一种波动现象。当声源（机械振动源）振动时，振动体对周围相邻的媒质产生扰动，而被扰动的媒质又会对相邻媒质产生扰动，这种扰动的不断传递就是声波产生与传播的基本机理。,声波机理,1,声波与声场,上图采用位二进制数进行量化，将声音强度划分为个量化级,球面声波的基本性质,球面声波的波动频率、波长及波速,求解声波的声压、媒质质点振速及声阻抗率,声场与声波,1,声波与声场,声能量与声能量密度,声能组成,声能量密度,平面声波的声能与声能量密度,声功率与声强,声功率,声强,2,声场中的能量,声场中的能量,我们将单位时间内通过垂直于声波传播方向、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。,声功率定义,2,声场中的能量,通过垂直于声波传播方向单位面积上的平均声功率（或平均声能量流）称为平均声能量流密度或声强。,声强定义,2,声场中的能量,响度,音高,音色,可闻声的频域特征,可闻声的时域特征,人耳听觉的非线性掩蔽效应,人耳听觉的延时效应与双耳效应,人类听感的基本特征,1,人类听感的基本特征,声学中，为了适应人耳听感的响度特性，方便对人耳听觉响度的计量，采用对数来计算和划分声音强弱的等级。,某点声压的有效值与零声级的参考声压值之比的常用对数，定义为声压级,Lp,，用分贝（,Db,）来表示：,Lp,20lgPrms/Pref (dB),式中：,Prms,某点声压的有效值，,Pref,零声级参考声压,规定,1kHz,时人耳刚能听到的声音，声压为,210,5 Pa,，作为声压级的,0dB,。,声压级,20Hz20kHz,闻曲线：将人耳刚能听到的各频率声音的最低声压级联成一条曲线，称作闻阈曲线。（在,1kHz,时为,0dB,）。,痛阈曲线：将人耳对响度过大以致难以忍受的各频率声音的声压级联成一条曲线，称作痛阈曲线。,可闻声频率范围,响度级定义：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,210,5 Pa,为,0dB,的相对分贝数）就是该声音的响度级。,等响度曲线,音高定义：人耳对声音调子高低的主观感觉称为音高或音调、音准。,人耳对声音频率的主观感觉,音高,Klg f,式中：,K,为常数，,f,是音高的物理简谐频率。,音律,12,平均率,响度对音高的影响,音高,音色定义：人耳在主观感觉上区别相同响度和音高的两类不同声音的主观听觉特性称为音色。,线状谱,声音谐波的产生机理,连续谱,音色,共振峰,谱级分布,1,、语声；,2,、音乐,可闻声的频域特征,纯音的掩蔽,噪声对纯音的掩蔽,“鸡尾酒会效应”,人耳听觉的非线性掩蔽效应,人对声源方位的定位，对声音的立体感觉，主要是依赖于双耳，这就是双耳效应。,声源到达左右耳的距离存在差异，将导致到达两耳的声音在声级、时间、相位上存在着差异。这种微小差异被人耳的听觉所感知，传导给大脑并与存储在大脑里的听觉经验进行比较、分析，得出声音方位的判别，这就是双耳效应。,形成双耳效应的本质因素在于声音到达两耳的声音在声级差、时间差和相位差。,人耳听觉的延时效应与双耳效应,具有声像的临场感,具有较高的清晰度和信噪比,立体声的特点,双耳效应,声级差,时间差,相位差,耳壳效应,听觉定位机理,耳壳效应,重复声延时量 长轴,20-45s,、短轴,2-20 s,。,20 s,的延时量其频率达,50KHz,。,耳壳效应对,4KHz,20KHz,频段的辨位能力最强。,耳壳效应,听音者听感中所展现的各声部空间位置，并由此而形成的声画面，称为声像。,现今的立体声普遍采用声源为两声道系统。这类双声道立体声除了双耳定位基理外，还有赖于双声源的哈斯效应和德波埃效应。,声像及声像定位,哈斯效应,两个同声源的声波若到达听音者的时间差,t,在,535ms,以内，人无法区分两个声源，给人以方位听感的只是前导声，滞后声好似并不存在；若延迟时间,t,在,3550ms,是，人耳开始感知滞后声源的存在，但听感所辨别的方位仍是前导声源；若时间差,t,在,50ms,以上时，人耳便能分辨出前导声与滞后声源的方位。,声像及声像定位,三、听觉特性对电声的技术要求,上半年 频率域要求,01,上半年 时间域要求,02,下半年 非线性失真要求,03,频率失真,相位失真,频率域要求,瞬态和稳态,直流分量,时间域要求,设备系统的非线性,听觉的非线性,动态范围（阈）,非线性失真要求,四、室内声场与音质,上半年 室内声场,01,上半年 室内音质评价,02,下半年 室内音质改善,03,下半年 吸音与隔声材料的结构与机理,0,4,室内声场的基本特征,室内声场的组成,简正方式和简正频率,室内声场的基本特征,混响和混响时间,室内声场的建立稳定和衰减,混响时间的计算,混响时间的定义,赛宾,(W.C.Sabine),公式,艾润,(C.F.Eyring),公式,其它混响公式,混响时间的频率特性,室内声场,室内声场分布,房间常数,混响半径,声源指向因子,室内声场分布计算,第一节 室内声场（,2,）,驻波条件：,L=n*/2,式中：（,n,1,，,2,，,3,，,），,相应波长,按驻波条件形成的每一个驻波称为房间的一个简正方式，其相应的频率为简正频率。,简正频率相同而简正方式不同的现象，称之为简正频率的“简并”。,简正方式和简正频率,室内声源辐射的连续稳定声波，室内各受音点接受到的声压值也是稳定的，声压随声源距衰减没有室外明显。,由于室的周边对声的反射作用，室内声源停止发声后，室内声并不立即停止，而是继续持续以段时间，这种声的残响现象通常称之为混响。,由于室形状的复杂性，声波在室内传播时，还会产生回声、聚焦、蛙鸣以及声染色等特异声现象。,室内声场的基本特征,混响和混响时间,混响时间的定义：通常，我们定义,Lp,衰减,60(dB),的时间为混响时间。记为,T60,。,T60,（,Tb-Ta,）,60/,（,Lpa-Lpb,）,0,60,a,b,t,（,s,）,T,60,T=KV/A,或,T60,0.161V/S,赛宾公式,艾润公式,0.161V,S,（,1,）,T,60,脉冲声的时间序列,第一反射声,直达声,前期反射声,混响声,矩形房间的驻波状态,房间常数,混响半径,声源指向因子,室内声场分布的计算,室内声场分布,室内音质设计的基本要求,主要评价量及评价标准,室内噪声水平,最佳混响时间,混响时间的频率特性,混响感,前期反射声的时间序列与方向序列,声场扩散特性,第二节 室内音质评价,室内音质设计的基本要求,无噪声干扰,语言用房，应追求声音的清晰,音乐用房，要求声音圆润、丰满和足够的力度,立体声效果用房，追求立体感、空间感和临场感,整个声场应充分扩散、分布均匀,没有回声、颤音、蛙鸣、嗡声（低频声染色）以及声聚焦等明显特异声缺陷,第二节 室内音质评价,“,噪声评价指数”（,N,曲线）,“,N25,线”、“,N90,线”,Lp=a+bN,A,声级,dB,（,A,）,N,曲线用于噪声频谱比较特殊的场合，突出了噪声的烦恼度；,A,声级,dB,（,A,）计量较为方便，多用于一般噪声。,室内噪声水平,结论：混响时间是影响室内音质的最基本要素，也是最基本评价量。,音质主观评价术语：“清晰”、“平衡”、“丰满”、“力度”、“圆润”、“明亮”、“柔和”、“临场感”等都与混响时间相关。,最佳混响时间：对于不同用途的声室，不同的音质设计，应有不同容积的室空间，在此容积下，有某一段混响时间范围，其间声效果最好。,最佳混响时间通常取,500Hz1000Hz,作为标准。,最佳混响时间,现代演播室、录音室等声室，都要求有短而平直的混响时间，因为：,短混响的节目可以通过电声手段任意加进人工混响，以模拟各种声现场的情景，而如果节目已据有长时间的混响则很难减短。,短混响的房间由于吸音条件好，有利于降低背景噪声。,在电视节目中，多数节目不希望在画面中出现传声器，这样现场拾音距离较大，如混响时间长，就会影响讲话者的亲切感和实在感。,最佳混响时间,混响时间的频率特性是指：房间的混响时间随声信号的频率变化而变化的特性（,T60,频谱）,混响时间的频率特性,混响感是人对混响程度的主观感受。,听觉比混响声声能密度（,es,）,/,直达声声能密度（,ed,）,“混响感”比“最佳混响时间”更能反映听音者的听音音质。,混响感,前期反射声的时间序列,前期反射声的方向序列,前期反射声的时间序列与方向序列,声波室内传播是靠界面反射进行的。如果这种传播完全处于无规状态，从统计观点来说可以认为声波通过室内任何位置的几率是相同的，通过的方向几率也是相同的，各反射声相遇时的位相也是无规的，由此造成的室内声场平均能量密度分布是均匀的，我们就将这种统计平均均匀的声场称为扩散声场。,实际声场扩散特性的评价方法：,实测混响时间，并计算与理论值的偏差；或者根据实测混响曲线的不规则度来评价实际声场的扩散特性。,实测室内声压级分布并与理想分布比较。,测量实际声场的指向扩散度，并据此评价其扩散特性。,声场扩散特性,在“刺猬图”中，每根“针”的长度表示该方向传来的声能强度。,设各空间角测次样本总数为,N,，则针长平均值,声场扩散特性,常见声缺陷及其对音质的影响,室内音质改善的建筑声学方法,第三节 室内音质的改善,外界噪声对室内声场的干扰,通过门、窗、管道进入；,透过墙壁等传入，二次声源。,建筑物构建受机械撞击，振动沿隔离物传播辐射干扰,混响时间对音质的影响,混响时间过长,混响时间过短,混响时间频率特性畸变,房间大小及线度比例对简正频率分布的影响,常见声缺陷及其对音质的影响,例：某电化教室室内总表面积,S=800m,2,，,0.15,，透声壁中，墙面积为,20m2,，透声率为,1,0.00001,，窗面积为,60m2,，透声率为,2,0.001,，当室外噪声声压级为,75dB,（,A,）时，求室内噪声声压级。,外界噪声对室内声场的干扰,控制噪声和振动干扰，提高声信噪比,修正混响时间及其频率特性，以符合设计要求,改善房间形体、结构，提高房间扩散性能,长方体形房间长、宽、高比例尽量避免,1:2,、,1:1,等简单比例关系。,房间容积应足够大，使间隔较大的简正频率尽量推向很低频段使频率范围内频率分布均匀。,对长宽高比例不当的房间，可通过空间分割尽量减少房间平行内壁。,室内吸声材料和吸声结构的铺装以非对称为宜。,合理设计反射面，改善前期反射声,反射面的形体处理,改变反射面或声源位置,室内音质改善的建筑声学方法,吸声材料与吸声机理,多孔吸声材料,穿孔板吸声结构,薄板、薄膜吸声结构,挂帘吸声结构,空间吸声体,隔声材料与结构,隔声的基本参量与常用计算公式,常用隔声构件及隔声量,第四节 吸声与隔声材料的结构与机理,