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第一章 声学基本知识声学基本知识 人们在日常生活中离不开声音。没有声音，人类社会的交流就不可想象。这些声音包括人们需要的、想听的，如优美动听的音乐、相互交流的言谈；也包括人们不想听的“噪声”。在声音的海洋中，人们是如何识别声音的呢?声音有三个要素：音量的大小、音调的高低、音色的于湿，它们都与声音的物理特性密切相关。这就要从声音的物理特性来了解。 声波的传输及其特性声音是空气分子的振动。物体的振动引起空气分子相应的振动，传人人耳导致鼓膜振动，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。一、声波的特性 1声音的周期、频率、波长和声速 周期：声源完成一次振动所需要的时间称为周期，记作T，计量单位为：秒(s)。 频率：声源在1秒钟内振动的次数，记作f，计量单位为： 赫兹(Hz)。它是周期的倒数，即：f=lT。 波长：沿声波传播方向，振动1个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间距离，记为，单位为m。 声速：声波每秒在介质中传播的距离，记作c，单位m/s。声速约为340ms。 频率f、波长和声速c三者之间的关系是：c=*f 频率在20Hz20kHz之间为声波人耳可以感觉的，称为可听声，简称声音；频率大于20kHz称为超声波；频率小于20Hz称为次声波。超声波和次声波人耳是听不到的，地震波和海啸都是次声波。有些动物的耳朵比人类要灵敏得多，如蝙蝠就能“听到”超声波。2频带 频带也称为“频段”，在扩声系统中，一般将介于次声和超声之间的可闻声频率划分为若干个区段，称为“频带”或“频段”。 3声功率、声强和声压 声功率：声功率即声源总声功率，指单位时间内声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量，记作w，单位为w。 声强：在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的平均声能，称为声强，用I表示，单位为Wm2。人耳可听的声强变化范围为1012102Wm2。 声压：声压是由于声波的存在而引起的压力增值，介质中的压力与静压之差称为声 压，用P表示，单位为Pa。1Pa=1Nm2。4分贝、声功率级、声强级和声压级 人们日常生活中的声音，由于变化范围非常大，可以达六个数量级以上，同时由于声 强与声压的变化近似地与人耳感觉变化的对数值成正比，人们便在扩声系统中引入了 “级”的概念。用分贝来表达声学量值。所谓分贝是指两个相同的物理量(例A1和A0)之比取以10为底的对数并乘以10(或20)。 N=10lg(A1A0)分贝，符号为“dB”，它是无量纲的。(1)声功率级 声功率以“级”表示便是声功率级，记作Lw，单位为dB。 Lw=l0lg(WW。) 式中：L。声功率级(dB)；W声功率(w)；W。参考声功率，为10-12W。 (2)声强级 声强以“级”表示便是声强级，记作L I，单位为dB。LI=l0lg(I/I0)。 式中：LI声强级(dB)；I 声强(Wm2)；I0参考声强，为10-12Wm2。 (3)声压级 声压级指实际声压和基准声压之比的20倍对数值，单位是dB。 LP=20lgPP。 式中：L，声压级(dB)；P某点声压；P。基准声压，以210-5Nm2为参考值 5声级的迭加 两个以上独立声源作用于某一点时，产生声级的迭加，若不考虑干涉效应，声能量是可以代数相加的。总声功率和总声强可以相加,但声压的迭加，则不能进行简单的直接代数相加。作用于某一点的两个声源声压级相等时，其合成的总声压级比一个声源的声压级只增加3dB，而不是增加1倍。比如：100dB加100dB不是简单代数和，即200dB，而是103dB。当然，这一结论同样适用于声能密度和声压级的叠加。 二、声波的反射、折射、衍射和扩散 1声波的反射 声波在同一介质中按一定方向传播，而在传播过程中遇到比波长大得多的障碍物时就会反射产生虚声源即声像。 2声的折射 声波在传播的过程中，遇到不同介质的分接口时，除了反射外，还会发生折射，从而改变声波的传播方向。 3声的绕射 声波传播过程中遇到有小孔的障碍物时，并不像光线那样直线传播，而是以小孔处质点作为新声源，改变原来的传播方向产生绕射(衍射)。而且，声音频率越低，绕射现象越明显。 4声的扩散 声波在传播过程中，如果遇到一些凸形的接口就会被分解成许多小的比较弱的反射声波，这种现象称为声扩散。 三、声波透射与吸收 声波入射到建筑构件时，声能的一部分被反射，一部分透过构件，还有一部分由于构件的振动或声音在其中传播时介质摩擦、传热而被损耗，我们称之为被材料吸收。在进行建声设计时，经常作为选择各种装修材料的隔音、吸音特性的重要依据，以便对室内噪声进行控制。 听觉理论与声音的特性 由于客观条件、文化水平、心理状态和个人爱好的不同，人们对声音的主观要求也不一样，但最基本的需求则是一致的，即希望听到的声音非常清楚，而且要听得舒适、悦耳。因此，任何音频环境的建立，必须满足人们对声音的主观要求。要满足这些要求，首先要了解声音的特性和影响听觉效果的因素。 声音的物理量除频率和声压级外，还有各个频率声压级的综合量，它描述的声音某量 (声强、声功率或声压级等)在其各频率的分布，称为这一声音的某量频谱。不同的声音有其各自的频谱。一个单一频率的简谐声信号称为纯音，若干个频率离散的简谐分量复合而成的信号称为复音。声音中很少存在单一频率的“纯音”，我们所听到的声音大都是各种频率的复合音，如乐器发出的单音就是周期性的复合音，语音则是非周期性的复合音。 声学的频带划分不是在线性标度的频率轴上等距离地划分，而是以各频带的频程数 .表1_1列举了国际标准化组织(IS0)和我国相关行业在音频倍频带和13倍频带的划分标准。 二、听觉特性 1人耳的听觉原理 声音既是一种物理现象，也是一种生理现象，人耳是声波的接收者。人耳主要由三部分组成，即：外耳、中耳和内耳，声波通过人耳鼓膜的振动转化成听觉神经脉冲信号，然后被传送到大脑皮层听觉中枢，从而产生了听觉，即人耳听到了声音。人耳剖面见图13。听觉的功能有分辨声音的高低和强弱，还可以判断环境中声源的方向和远近。 2声音的听觉特征 听觉的阈限是人的听觉系统感受到最弱声音和痛觉声音的强度极限，它与频率和声压有关。在阈限以外的声音，人耳感受不到，不能产生听觉。 (1)听觉范围听阈与痛阈 听觉的绝对阈限包括频率阈限、声压阈限和声强阈限。在声学系统中，频率20Hz、声压210。5 Pa、声强10_12Wm2的声音为听阈声音，低于这些值的声音不能产生听觉；痛阈声音的频率为20 000Hz、声压20Pa、声强10Wm2。人耳的可听范围就是听阈与痛阈之间的所有声音，如图14所示。 最高、最低可听极限：青少年20Hz20kHz，中年30Hz15kHz，老年100Hz10kHz； 最小、最大可听极限：人耳有一定的适应性，常人最小可听下限与频率有关，一般年轻人在中频附近为0dB，上限为120dB，经常暴露在噪声环境下人有可能达到135140dB。(2)最低辨别阈(差阈) 人耳具有区分不同频率和不同强度声音的能力。辨别阈是指听觉系统能分辨出两个声音的最小差异辨别阈值，俗称差阈，它与声音的频率和强度等都有关系。对低频 (500Hz以下)、低强度(50dB)的声音，人耳对频率的感觉最灵敏，常常能感觉出频率微小的变化，而对强度的感觉则不如对频率的感觉灵敏。 (3)双耳定位效应哈斯效应 由于不同的声源作用于人耳的时间、声压及相位的不同从而使人的耳朵可以判断出声源的方向及位置。哈斯效应是立体声系统定向的基础之一。 哈斯的试验证明：当两个声源中一个声源与另一个声源的延时量在5ms35ms以内时，就好像两个声源合二为一，听音者只能感觉到超前一个声源的存在和方向，感觉不到另一个声源的存在；若一个声源延时另一个声源3050ms时，已能感觉到两个声源的存在，但方向仍由前导声源所定；若一个声源延时量大于另一个声源为50ms时，则能感觉到两个声源的同时存在，方向由各个声源来确定，滞后声为清晰的回声。(4)听觉定位 听觉定位就是根据声音到达两耳的强度差和时间差来判断声源的方位与距离。一般来说，当频率高于1400Hz时，强度差起主要作用，反之，时间差起主要作用。 正常情况下，人的两耳的听力是一致的。当一个声源在人的右侧时，距左耳稍远，声波到达左耳所需时间就稍长。 (5)掩蔽效应 当两个声源出现时，其中一个声源会影响人耳对另一个声源的听觉能力，一个较弱的声音(被掩蔽音)的听觉感受被另一个较强的声音(掩蔽音)影响的现象称为掩蔽效应。 在掩蔽情况下，提高被掩蔽音的强度，使人耳能够听见时的听阈称为掩蔽听阈，被掩蔽音必须提高的分贝值称为掩蔽量(阈移)。噪声对声音的掩蔽与噪声的声压及频率有关，当噪声的声压级超过语言声压级2025dB时，语言将完全被噪声掩蔽。被掩蔽声的频率接近掩蔽声时，掩蔽效应最明显；低频对高频的掩蔽效应较大，反之则较小。 (6)德波埃效应 德波埃效应指在距离立体声声源相等的对称线上时，如果声源的声压差和时间差均为零，所表现的声像在对称线上，听感好像只为一个声源。当声压差增大时，声像则向声音较强的声源方向移动，当声压差大于15dB时，就会感受到声像是由较响的声源单独发出。如果声压差为零，而时间差未变化时，同样也有声像移动的效果，当时间差大于3ms时，则声像完全由前导的声源所决定。 3声音三要素 声音的特性可由决定声音效果的三个要素来描述，即响度、音调和音色。 (1)响度 人耳对声音强弱的主观感觉称为响度。声音给人的主观感觉，最主要的是声响的大小。响度和声波振动的幅度有关。一般说来，声波振动幅度越大则响度也越大。另外，人们对响度的感觉还和声波的频率有关，同样强度的声波，如果其频率不同，人耳感觉到的响度也不同。总的来说，声压或声强越大，声音就越响，但并不成正比关系。为了描述人耳对声音的主观感觉，便引入了响度和响度级的概念。 响度又称声强或音量，是表示人耳对声音的强弱的主观感觉量，主要取决于声波振幅的大小，用N表示，单位为“宋”(sone) 响度是听觉的基础。正常人听觉的响度范围为0140dB(也有人认为是一5130dB)。一般以1kHz纯音为准进行测量，人耳刚能听到的声压级为odB(通常大于o3dB即有感受)、声强为10_12wm2时的响度级定办。方。而当声音增强到使人耳感到疼痛时，仍以1kHz纯音为准来进行测量，声压级约达到140dB左右。 等响曲线是指以连续纯音做试验，取1000Hz的某个声压级为基准，则听起来和它同样响的其他频率纯音的各自声压级构成的一条曲线，如图15所示。图中每一条曲线相当于频率和声压级不同而听起来响度相同的声音，即具有同一响度级(方)的声音。从等响曲线可以看出，人耳对高频声敏感，而对低频声不敏感。如70方的响声，对100Hz的声音来说，声压级是。76dB，对1000Hz是70dB，对4000Hz是62dB，但它们都是在70方的曲线上，听起来一样响。 实验表明，听阈和痛阈是随声压、频率变化的。听阈和痛阈随频率变化的等响度曲线 (Fletchet-Munson曲线)之间的区域就是人耳的听觉范围。通常认为，对于1kHz纯音， o20dB为宁静声，3040dB为微弱声，5070dB为正常声，80100dB为响音声，110130dB为超响声。而对于1kHz以外的可听声，在同一级等响度曲线上有无数个等效的声压级一频率值，例如，200Hz的30dB的声音和lkHz的10dB的声音在人耳听起来具有相同的响度，这就是所谓的“等响”。小于odB(听阈)和大于140dB(痛阈)时为不可听声。人耳对不同频率的声音的听阈和痛阈不一样，灵敏度也不一样。人耳的痛阈受频率的影响不大，而闻阈随频率变化相当剧烈。人耳对15kHz的声音最敏感，幅度很小的声音信号都能被人耳听到，而在低频区(如小于800Hz)和高频区(如大于5kHz)人耳对声音的灵敏度要低得多。响度级较小时，高、低频声音灵敏度降低较明显，而低频段比高频段灵敏度降低更加剧烈，一般应特别重视加强低频音量。通常200Hz3kHz语音声压级以6070dB为宜，频率范围较宽的音乐声压以8090dB最佳。(2)音调 音调是人耳对声音调子高低的主观感受，它由声波的频率所决定，频率越高，音调越高，反之则低。主观感觉的音高单位是“美”(mel)，通常定义响度为40方的lkHz：纯音的音高为1000美。赫兹与“美”同样是表示音高的两个概念不同而又有联系的单位。 根据人耳对音高的实际感受，人的语音频率范围可放宽到80Hz12kHz。(3)音色 音色是由声音中各种频率成分及其强度决定的，即由频谱决定。人们之所以能分辨出不同的人发出的声音或不同的乐器所奏出的乐章，是因为其音色不一样。单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。声波基频所产生的能听清楚的声音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。虽然基音相同，但由于各种声源的性质不同，其泛音成分也各不一致，因而组成的复合声也不同。人们根据不同泛音的频率成分及其相对强度来区分不同的音色。 音色色彩纷呈，变化万千，高保真(HiFi)音响的目标就是要尽可能准确地传输、还原原始声音的特征，使人们真实地感受到声源定位感、空间包围感、层次厚度感等各种临场的立体环绕声效果。在扩声系统工程中，应注意保证语言、音乐的原有频谱不变，以免出现声音的失真现象。- 4 -