音响工程与电声技术

1、 E-mail : Cary_C Tel :音响工程与电声技术音响工程与电声技术 Electroacoustical Project and Technology JIANG HAN UNIVERSITY CARY CHENG 课程简介课程简介 音响工程与电声技术音响工程与电声技术是以是以电声电声与与计算机技术计算机技术为为 基础，对基础，对声音信号声音信号的特性以及对的特性以及对音频信号音频信号进行加工处进行加工处 理的理的方法方法、工具工具进行研究的一门课程。进行研究的一门课程。 课程主要内容课程主要内容 声学基础知识的介绍声学基础知识的介绍 基本基本听觉听觉能力

2、的培养能力的培养 音频处理音频处理设备设备的介绍的介绍 数字音频工作站的数字音频工作站的使用使用（硬件、软件）（硬件、软件） 数字音频数字音频录制录制与与处理处理的基本方法（软件）的基本方法（软件） 课程基础课程基础 数学基础数学基础 物理基础（声学、电学）物理基础（声学、电学） 计算机基础知识计算机基础知识 音乐基础知识音乐基础知识 教材及参考书目教材及参考书目 教育电声系统教育电声系统， 曹揆申主编，高等教育出版社曹揆申主编，高等教育出版社 电声技术基础电声技术基础， 管善群编著，人民邮电出版社管善群编著，人民邮电出版社 音响技术音响技术， 美君等编，复旦大学出版社美君等编，复旦大学出版社

3、 数字音频素材的制作与应用数字音频素材的制作与应用，刘毓敏著，国防工业出版社，刘毓敏著，国防工业出版社 电声系统与电声教学电声系统与电声教学， 田振清编，内蒙古教育出版社田振清编，内蒙古教育出版社 音响美学音响美学， 张凤涛著，北京广播学院出版社张凤涛著，北京广播学院出版社 影视录音影视录音， 姚国强著，北京广播学院出版姚国强著，北京广播学院出版社社 音乐理论基础音乐理论基础， 李重光编，人民音乐出版社李重光编，人民音乐出版社 第一章第一章 声音与人耳的听觉特性声音与人耳的听觉特性 学习目标学习目标: 学完这一章，你应当能做到：学完这一章，你应当能做到： 1. 1. 说出说出声波的几个相关概念

4、；声波的几个相关概念； 2 2. . 解释解释什么是声压与声压级；什么是声压与声压级； 3. 3. 区别区别声能量、声能量密度、声功率、声强、声强级；声能量、声能量密度、声功率、声强、声强级； 4 4. . 解释解释什么是分贝；什么是分贝； 5.5. 解释解释什么是响度、音调、音色；什么是响度、音调、音色； 6.6. 能大致能大致画出画出等响度曲线，并对其进行等响度曲线，并对其进行分析分析与与解释解释； 7.7. 阐述阐述声音的时域特征、频域特征与动态范围；声音的时域特征、频域特征与动态范围； 8.8. 解释解释什么是掩蔽效应、延时效应、双耳效应、听觉疲劳、什么是掩蔽效应、延时效应、双耳效应、

5、听觉疲劳、 听力驻留与听力谐音；听力驻留与听力谐音； 9.9. 区别区别准峰值与准平均值；准峰值与准平均值； 10.10.解释解释什么是失真，失真有哪几种类型。什么是失真，失真有哪几种类型。 第一节第一节 什么是声音什么是声音 声音是一种波动现象。当声源（机械振动源）振声音是一种波动现象。当声源（机械振动源）振 动时，振动体对周围相邻媒质产生扰动，而被扰动的动时，振动体对周围相邻媒质产生扰动，而被扰动的 媒质又会对它周围的相邻媒质产生扰动，这种扰动的媒质又会对它周围的相邻媒质产生扰动，这种扰动的 不断传递就是声波产生与传播的基本原理。不断传递就是声波产生与传播的基本原理。 通过机械振动发出声音

6、的物体称为通过机械振动发出声音的物体称为声源声源，声源振，声源振 动所导致的周围媒质的振动传播称为动所导致的周围媒质的振动传播称为声波声波，存在声波，存在声波 的空间称为的空间称为声场声场，声场中能够传递上述振动的媒质称，声场中能够传递上述振动的媒质称 为为声场媒质声场媒质。（气体媒质、液体媒质、固体媒质）。（气体媒质、液体媒质、固体媒质） 一、声波的物理特性一、声波的物理特性 波长波长：声源的某一振动状态在一个周期内所传播的距离（：声源的某一振动状态在一个周期内所传播的距离（m） 频率频率 ：单位时间内声源所完成的全振动的次数（：单位时间内声源所完成的全振动的次数（Hz） 周期周期T：声源完

7、成一次全振动所需要的时间（：声源完成一次全振动所需要的时间（s） 速度速度V：声源某一振动状态在单位时间内所传播的距离（：声源某一振动状态在单位时间内所传播的距离（m / s） =1 / T VT V / 振幅振幅s 相位相位 空间距离空间距离d 任何任何2 2个振动相位相同而又相邻的媒质质点间的距离就是波长个振动相位相同而又相邻的媒质质点间的距离就是波长 声波是一种声波是一种纵波纵波，即传播媒介中质点的振动方向与声波传播的方向是，即传播媒介中质点的振动方向与声波传播的方向是 平行的。平行的。 质点自身并不随着声波一起向四周扩散，而只是在原地附近进行振动，质点自身并不随着声波一起向四周扩散，而

8、只是在原地附近进行振动， 并由存在于它们之间的弹性进行能量传递。唯一不传递声波的空间是真空。并由存在于它们之间的弹性进行能量传递。唯一不传递声波的空间是真空。 声波在不同介质中的传播速度是不同的，常温下它在空气中的传播速声波在不同介质中的传播速度是不同的，常温下它在空气中的传播速 度约为：度约为：340m/s340m/s 振幅振幅s 相位相位 空间距离空间距离d 媒质分子的媒质分子的 振动振动 状态状态 图：声波的传播方式图：声波的传播方式 补充一句补充一句 声音的传播速度取决于传递媒介的声音的传播速度取决于传递媒介的密度密度与与温度温度。 通常媒介的密度越大、温度越高，声音在里面传播的速度通

9、常媒介的密度越大、温度越高，声音在里面传播的速度 就越快。（气温每上升或下降就越快。（气温每上升或下降11，声速即加快或减慢约，声速即加快或减慢约0.6m0.6m。 因此在音乐厅中的气温能够影响交响乐团演奏音调的高度，而因此在音乐厅中的气温能够影响交响乐团演奏音调的高度，而 湿度则对声速的影响很小。）湿度则对声速的影响很小。） 二、声压二、声压 由于空气媒质具有弹性，当声波（扰动）在其中传播时，由于空气媒质具有弹性，当声波（扰动）在其中传播时， 媒质中每一个区间段都处于媒质中每一个区间段都处于“压缩压缩舒张舒张压缩压缩”的的 变化状态中。当媒质的某个区域被压缩时，其密度变化状态中。当媒质的某个

10、区域被压缩时，其密度 将将没没 有声波（静态）传递时的有声波（静态）传递时的 0 0； ；反之，当媒质的某个区域处于舒 反之，当媒质的某个区域处于舒 张状态时，其密度张状态时，其密度 将将没有声波（静态）传递时的没有声波（静态）传递时的 0 0。 。 因此，我们可以根据气体状态方程得知，当媒质被压缩因此，我们可以根据气体状态方程得知，当媒质被压缩 时，媒质的压强将大于静态时的大气压强时，媒质的压强将大于静态时的大气压强P P0 0；当媒质舒张时，；当媒质舒张时， 媒质的压强将小于媒质的压强将小于P P0 0。 压缩：压缩： P PP P P P0 000 舒张：舒张： P PP P P P0

11、005dB 最高准平均值最高准平均值 信噪比（信噪比（S/NS/N） 动态阙动态阙 准峰值（噪声）准峰值（噪声） 一般而言，语言信号的动态范围较小，约为一般而言，语言信号的动态范围较小，约为202040dB40dB； 音乐信号的动态范围可达音乐信号的动态范围可达80dB80dB以上，现代流行音乐动态的上以上，现代流行音乐动态的上 限甚至可以超过限甚至可以超过100dB100dB。 动态的下限主要是高斯噪声，其准峰值约高于准平均值动态的下限主要是高斯噪声，其准峰值约高于准平均值 6dB6dB左右。左右。 失真失真 只要声音信号丧失或者歪曲了原始声波的特性，我们就只要声音信号丧失或者歪曲了原始声波

12、的特性，我们就 认为产生了失真现象。失真的形式主要有以下几种：认为产生了失真现象。失真的形式主要有以下几种： 1 1）频率失真）频率失真 由于电声设备在音频范围内对各频率声音的放大率不一由于电声设备在音频范围内对各频率声音的放大率不一 致；或者是出现了对音频范围内某一频率的遗漏，即产生了致；或者是出现了对音频范围内某一频率的遗漏，即产生了 频率失真。频率失真。 f f f f 原始信号原始信号 放大信号放大信号 f f 失真信号失真信号 2 2）谐波失真）谐波失真 由于电声设备的非线性，引入了原始波形中所没有的谐由于电声设备的非线性，引入了原始波形中所没有的谐 波或丢失原有的某些谐波所导致的一

13、种失真。波或丢失原有的某些谐波所导致的一种失真。 3 3）互调失真）互调失真 两个频率不同的声音叠加在一起时所产生的一种失真形两个频率不同的声音叠加在一起时所产生的一种失真形 式，其表现为两个频率相互调制并产生不需要的拍频与复合式，其表现为两个频率相互调制并产生不需要的拍频与复合 声波。声波。 4 4）空间感失真）空间感失真 表现为声像位置与原始声源位置不一致，从而影响空间表现为声像位置与原始声源位置不一致，从而影响空间 感的再现。通常是由于录音时传声器摆放位置不当，声源位感的再现。通常是由于录音时传声器摆放位置不当，声源位 置不当或由于多个传声器的拾取音量不平衡所导致。置不当或由于多个传声器

14、的拾取音量不平衡所导致。 5 5）瞬态失真）瞬态失真 瞬态失真是由于电声设备的某一部分不能将原始波形上瞬态失真是由于电声设备的某一部分不能将原始波形上 的陡峭波前准确还原而引起的。通常在把能量从一种媒介转的陡峭波前准确还原而引起的。通常在把能量从一种媒介转 移到令一种媒介的器件时才会引起瞬态失真现象。移到令一种媒介的器件时才会引起瞬态失真现象。 例如当一个很强的瞬态声音被扬声器播放时，扬声器的纸例如当一个很强的瞬态声音被扬声器播放时，扬声器的纸 盆在恢复其原来位置之前有时会有一段盆在恢复其原来位置之前有时会有一段“延迟复位延迟复位”时间，这时间，这 被称为被称为“振荡（振铃）现象振荡（振铃）现

15、象”，它会使接着播放的声波产生轻，它会使接着播放的声波产生轻 微的振幅变化，结果就形成了瞬态失真。微的振幅变化，结果就形成了瞬态失真。 6 6）音量失真）音量失真 即扬声器音量与原始声音音量不一致。这种现象往往是我即扬声器音量与原始声音音量不一致。这种现象往往是我 们故意造成的。例如在影视作品中，我们常常将角色的耳语放们故意造成的。例如在影视作品中，我们常常将角色的耳语放 大若干倍，以提高语言的可读懂度。大若干倍，以提高语言的可读懂度。 7 7）过载失真）过载失真（也称为（也称为振幅失真振幅失真或或调制失真调制失真） 电声设备通常都有一定的动态范围，超过这一范围的声音电声设备通常都有一定的动态

16、范围，超过这一范围的声音 信号就会产生过载失真。它常常表现为尖利刺耳或爆裂的声音。信号就会产生过载失真。它常常表现为尖利刺耳或爆裂的声音。 例如声源声压级过高时，会导致电容传声器振模产生的电压使例如声源声压级过高时，会导致电容传声器振模产生的电压使 其内部的前置放大器出现信号过载失真。这种失真是传声器本其内部的前置放大器出现信号过载失真。这种失真是传声器本 身造成的，即使在调音台上使用衰减器来降低信号电平也无济身造成的，即使在调音台上使用衰减器来降低信号电平也无济 于事，因为过载失真是不可逆的。于事，因为过载失真是不可逆的。 信噪比信噪比 S/N 信噪比可以理解为电声信号与设备本底噪声之间的幅

17、度比信噪比可以理解为电声信号与设备本底噪声之间的幅度比 值，通常也用分贝来表示。它表现为电声设备可用的有效音量值，通常也用分贝来表示。它表现为电声设备可用的有效音量 范围。范围。 一般民用设备的信噪比约为一般民用设备的信噪比约为40404545分贝；专业模拟设备可分贝；专业模拟设备可 以达到以达到6060分贝，而数字设备则可以达到分贝，而数字设备则可以达到9090分贝以上。分贝以上。 阻抗阻抗 当一个电声设备或者电子元件对外表现得当一个电声设备或者电子元件对外表现得既有电抗既有电抗（感（感 抗）抗）又有电阻又有电阻时，其合成的效果我们统称为时，其合成的效果我们统称为“阻抗阻抗”。 例如：一个扬

18、声器的音圈上标明的阻抗是例如：一个扬声器的音圈上标明的阻抗是1515，但我们，但我们 测得的直流电阻可能只有测得的直流电阻可能只有5 56 6 ，其差值就是音圈对交流电，其差值就是音圈对交流电 所能够产生的感抗值。所能够产生的感抗值。 当设备之间的阻抗正确匹配时，我们可以获得最大功率当设备之间的阻抗正确匹配时，我们可以获得最大功率 的传输效果；而在阻抗匹配不良的时候，输出功率就会受到的传输效果；而在阻抗匹配不良的时候，输出功率就会受到 损失。损失。 噪声噪声 声信号在拾取、传播、记录或处理过程中会产生各种噪声信号在拾取、传播、记录或处理过程中会产生各种噪 声，它通常有以下几种类型：声，它通常有以下几种类型： 1 1）线路噪声）线路噪声 主要是电子元件内部的固有噪声、导线的热噪声和外来主要是电子元件内部的固有噪声、导线的热噪声和外来 电磁干扰噪声。电磁干扰噪声。 2 2）本底噪声）本底噪声 记录媒介本身的噪声。例如磁带上磁粉涂布不均所产生记录媒介本身的噪声。例如磁带上磁粉涂布不均所产生 的噪声等等。的噪声