声学基础

声学基础一、声音的基本性质声源声音介质声场声音的产生与传播声音是人耳能感知到的弹性介质中的振动，声音由物体振动产生，正在发声的物体叫声源。传播介质可以是气体，也可以是固体或液体；指能够传播声音的媒质，声音必须通过媒质传播，如气体、液体和固体。媒质的性质，包括该媒质的状态、温度、压力等与声波传播速度和方式等有密切关系。如声音在气体中传播以辐射特性为主，在固体中传播以传导特性为主，而在液体中传播时以上两种特性均存在。声源的振动以声波的形式在介质中传播，传播所涉及的区域称为声场1、周期（T）：单位：S2、频率（f）：单位：Hzf=1/T人耳可以听到的声音频率范围：20~20kHz次声波：低于20Hz的声波超声波：高于20kHz的声波3、波长（λ）：单位：m4、声速（c）：单位：m/s273.16t1331.45C常温下（15oC）空气中的声速为340m/s；（21oC）时为344m/st：相对空气温度（oC）5、声速、波长和频率之间的关系：c=λ·f与媒质密度、弹性、温度有关一个周期波谷波峰时间（t）声波的频率、波长与速度E0=Eγ+Eα+EτE0：总声能Eγ：反射声能Eα：吸收声能Eτ：透射声能反射吸收透射总声能声波的透射与吸收1、声波的反射、折射条件：尺寸大于波长的光滑的界面当波传播到两种介质的分界面时，一部分反射形成反射波，另一部分进入介质形成折射波。声波的反射、折射、扩散与绕射3、声波的绕射2、声波的扩散反射声波的反射、折射、扩散与绕射温度对声波的影响声波从声速高的地方向声速低的地方折射273.16t1331.45C声能在整个频率范围内的分布声音的频谱fm:中心频率；f2:频带的上限频率；f1:频带的下限频率n=1,一倍频程；n=1/3,1/3倍频程以恒定百分比增量为频率间隔fm=1000×10k/10(k=0，±1，±2，±3…)21fffmf2/f1=2n倍频程中心频率fm下限频率f1上限频率f2634489125891772501773545003547081000708141620001416283240002832566480005664113281倍频程的中心频率和截止频率1/3倍频程的中心频率和截止频率中心频率fm下限频率f1上限频率f2中心频率fm下限频率f1上限频率f26356718007088928071891000891112210089112125011221413125112141160014121779160141178200017782240200178224250022382820250224282315028173550315282355400035474469400355447500044655626500447563630056217082630562708800070778916指向性频率越高指向性越强例如人在讲话时，正面声音最大，背面声音最小。与波长相比，声源尺度越大，其指向性越强。声源的指向性1、音强（响度）：声音的强弱2、音调（音高）：与频率和强度有关3、音色：与谐波成分有关声音的三要素其中响度、音高、音色可以在主观上用来描述具有振幅、频率和相位三个物理量的任何复杂的声音，故又称为声音“三要素”；人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声域。在人耳的声域范围内，声音听觉心理的主观感受主要有响度、音高、音色等特征和掩蔽效应、高频定位等特性。1、声功率2、声强3、声压SWI24rWIcpI02平方反比cIp0声功率、声强、声压二、声音的计量声级1、声功率级2、声强级3、声压级0lg10WWLW0lg20ppLP闻阈声强10-12W/m2，相应的声压2×10-5Pa1000Hz痛阈声强1W/m2，相应的声压20PaW0：10-12W0lg10IILII0：10-12W/m2p0：2×10-5Pa1万亿倍1百万倍dBpKdBKlg10)(常见的绝对电平表示方法：dBw取1W作基准值的绝对功率电平dBv取1V作基准值的绝对电压电平dBu取0.775V作基准值的绝对电压电平0dB120dB实验表明，人们对声音强弱的感觉并不直接同声压或声强成比例。例如，当声强增加至2倍时，我们只觉得声音加强了0.3倍；当声强分别增至10倍、100倍、1000倍时，我们的感觉是声音增强了1倍、2倍、3倍这种关系恰好同数学中的对数关系相符。为了方便，声学中用声强的对数量（叫做声强级）来表示声音的大小。对数的底取10，单位为贝耳，简称贝距离增加一倍，声压级衰减6dB24rWIcpI020lg20ppLPrcWp140004lg20rpcWLp21lg204lg2024lg200000rpcWrpcWLp0206.621lg20)lg(20)lg(1021221ddddSPL差100.732m107.116m113.38m119.54m125.62m131.71mUPA-1距离SWIcpI020lg20ppLPScWp000lg20pScWLp2lg20lg202lg200000pScWpScWLp32lg20)lg(20)lg(1021221差功率增加一倍，声压级增加3dB凹曲面会产生声聚焦现象声聚焦三、声缺陷当反射声延迟时间过长,一般是直达声后100ms，强度又很大，这时就可能形成回声。声波在特定界面之间的往复反射颤动回声：声音有连续的重叠声，并有颤抖的感觉回声与颤动回声平行墙壁间声音相互多次反射引起的声音颤动现象，属于严重的建声缺陷，会造成再现声音音量不稳定、音质不良等。最有效的消除方法是避免平行墙壁、采用强吸音材料以及将墙壁表面处理成凹凸不平的漫反射结构等。人耳能辨别出回声的条件是反射声具有足够大的声强，并且与原声的时差须大于0.1秒。由于障碍物或折射的原因，产生声音辐射不到的区域声阴影两列（或两列以上）具有相同频率、相同振动方向和恒定相位差的声波在空间迭加时，在交迭区形成恒定的加强和减弱的现象，声音干涉后，会引起驻波和梳状滤波现象，破坏再现音质。声干涉产生干涉现象的声波称为相干波相应的声源为相干声源当两只扬声器的极性相反时，扬声器内的音圈振动方向相反，由此发出的声波在空间中传播同振动但相位相差180度，根据声波的干涉现象可知，空间内某点的合成声波的振幅会减弱。虽然扬声器都在发声，可是人耳听到的声音响度减弱。有两列相干波，它们不仅频率相同、位相差恒定、振动方向相同，而且振幅也相等。当它们在同一直线上沿相反方向传播时，在它们迭加的区域内就会形成一种特殊的波。驻波当一列波遇到障碍时产生的反射波与入射波叠加可产生驻波。驻波的特点：媒质中各质点都作稳定的振动。波形并没有传播。声染色驻波和声染色多次的回声和源声波产生的几个驻波点重叠在一起，会使得房间的频响特性过分不平坦，而这些频率点上，又会造成频率的异常突出，造成听觉上的不自然感。也就是平时我们常说的房间的“声染色”。没有延时，感觉声音从两声源中间发出延时5～30ms，感觉声音从超前一个声源发出，感觉不到另一个声源的存在延时30～50ms，能感觉两个声源的存在，但方向仍由超前一个声源决定延时50ms以上，感觉两个声源同时存在，方向由各个声源决定，滞后声为回声哈斯效应哈斯效应又称：时差效应、优先效应四、人耳对声音的感知人耳对一个声音的听觉灵敏度因为另一个声音的存在而降低的现象存在的干扰声音掩蔽声听阈所提高的分贝数掩蔽量提高后的听阈掩蔽阈掩蔽效应一个较弱的声音（被掩蔽音）的听觉感受被另一个较强的声音（掩蔽音）影响的现象四、人耳对声音的感知当声源和听者发生相对运动时，听者感觉到的声波频率和声源频率产生差异当声源朝向听者运动时，听者感到频率变高当声源背向听者而去时，听者感到频率变低多普勒效应四、人耳对声音的感知在乘火车的时候，当两火车错车时，你会感觉到火车鸣笛声由低逐渐变高；而当火车远离时，你又会感觉到火车鸣笛声由高变低的变化。其实，火车鸣笛的声音频率是固定不变的，人们之所以感到它的频率在改变，是因为人耳与音源之间的距离发生变化所造成的。提高汽车鸣叫声的频率，让人感到汽车在“疾驰而来”；而降低频率并减小音量，则可产生汽车在“驰离现场”的感觉。选听效应、聚焦效应鸡尾酒会效应人的听觉系统可以从众多声源同时发出的声音之中，把听觉的主要对象集聚到其中某一点上。四、人耳对声音的感知德·波埃效应LineardB混响时间（s）ON声源OFF1/1,000,000-60dB混响时间Reverberationtime室内音响赛宾公式SVT161.060V：房间容积，m3S：室内总表面积，m2：室内平均吸声系数4m：空气吸声系数伊林公式（艾润公式）)1ln(161.060SVT伊林公式（艾润公式）：考虑空气吸声时mVSVT4)1ln(161.060