第1章声音的物理特性

1、教育电声系统教育电声系统电声系统电声系统声源听众环境环境电声设备电声设备电声设备教育电声系统电声技术 电声技术是利用电子技术和应用声学的原理解决可闻声发生、接收、变换、处理、加工、记录、重放及传播等问题。并吸收、融合了其它许多相关学科的研究成果而形成的一门边缘性、应用型的学科。 教育电声系统 电声技术又是综合了电子、精密机械、自动控制、激光、材料、计算机等先进科学与技术。 电声系统的核心是电声技术，并与建筑声学、生理和心理声学密切相联系的一门学科。教育电声系统一百多年（1906年美国人 真空三极管） 模拟技术 数字音响技术单声道 双声道立体声 环绕声声音制作： 专业人员 一般人员电声技术的历史

2、和发展：电声设备的功能和手段日益丰富教育电声系统电声系统包括：1、广播系统无线广播和有线广播无线广播和有线广播2、节目制作系统主传声器方式和多声道合成3、电脑音乐系统声音制作和音乐创作4、语言学习系统听音型、听说型、听说对比型、视听型教育电声系统 电声技术是一门综合性的技术，其产生的声音效果由许多因素决定:声源环境设备录制、操作技术教育电声系统教育电声系统教学目标1、了解声音的产生与传播2、知道声音的振动特性3、知道声音的传播特征教育电声系统第一节第一节 声场与声波声场与声波一、声音的产生与传播 声音是“声”和“音”的合称；“声”是总称，“音”则是指有调的音。教育电声系统1、声音的产生 现象：

3、 拨动琴弦时，看到琴弦振动，同时也听到了声音，当琴弦振动停止时，声音随之消失。敲击音叉时结论：振动产生声音。教育电声系统2.声波的传播声音的振动是以波动的形式向外传播的 。水波的传播：当在平静水面上投一石子，在水面上就可看到向四周扩散的水波纹。（横波：传播方向与质点振动方向垂直） 教育电声系统ABCD声波的传播过程声波的传播过程教育电声系统 在具有质量和弹性的媒质中，在具有质量和弹性的媒质中，任何气流扰动和机械振动都会产生任何气流扰动和机械振动都会产生声音。声音。定义：定义：教育电声系统振动和波动的关系振动是波动产生的根源，而波动是振动的振动是波动产生的根源，而波动是振动的传播过程。传播过程。

4、声音在本质上是一种波动，又称声波声音在本质上是一种波动，又称声波教育电声系统 结论：人类所能接触到的一切音响都来源于物体的振动。引起声音振动的物体称之为音源，声音所及的空间范围称为声场。教育电声系统 人耳接收： 当这些疏密地交替变化的声波传播到人耳时，引起人耳鼓膜做相应振动，这种振动通过听觉系统传到听觉神经，经大脑细胞分析、处理后使人们产生了听觉。教育电声系统由此可见，人耳听到声音有三个基本条件声源：振动的对象，如音叉、吉他、簧片、小提琴、扬声器等 传播媒质：空气、水、木材、钢铁等声波可在气体中传播，也可在固体和液体固体和液体中中传播，因为它们都是弹性媒质。 人耳听觉：耳朵获取振动，大脑将这些

5、振动解释为特定的声音。人耳的主观听觉特性 教育电声系统二、声音的振动特性二、声音的振动特性1.振动 物体在一个平衡位置附近作往复运动称为简谐振动，最基本最简单的振动就是简谐振动（周期振动） 。 任何复杂的周期振动都可以分解成许多简谐振动。 教育电声系统简谐振动可用下述函数描述：A（t）=A p sin（t+）式中A p 是幅值； 是角频率； 为初始相位。 （幅值越大，声音越大幅值越大，声音越大）。A pt幅幅值值0教育电声系统2.声音的频率、 振动物体每秒钟重复振动的次数，用f表示，单位用Hz表示。实际上声源的频率为0-几M Hz 完成一次振动所需要的时间称为周期，用T表示。二者之间的关系 f

6、 =1/TT时间时间t密部疏部教育电声系统 人的听觉可感知的频率范围的声波称为可闻声。 20Hz20000Hz低于20Hz或高于20kHz的声波，人耳感受不到。20赫兹以下的叫次声波，而20000赫兹以上的叫超声波。频率20Hz20kHz次声波超声波教育电声系统3.波长 完成一次振动所走过的距离，称波长（ ）单位用m表示 f =20Hz-20000Hz =17m-1.7cm 波长和声速有如下关系fc距离距离L教育电声系统三、声波的强度（声压或声强） 在没有声波扰动的空气中，存在着静态的大气压强105Pa (气压的国际单位是帕斯卡,简称帕帕，符号是Pa )。 当有声波传播时，空气发生疏密发生变化

7、,因而空气的（密度）压强发生变化，也即在静态的大气压的基础上又产生一个交变的压强。这个由声波引起的那部分交变的压强就是声压。声压。 教育电声系统压强P 静态的大气压强105Pa 声压0.0002 b （微巴）（微巴）200 b （微巴）（微巴）（1Pa=10 b）教育电声系统 声压声压:声场中某处的声压指该处的压强声场中某处的声压指该处的压强值与没有声波时该处的压强值（静态的大值与没有声波时该处的压强值（静态的大气压强）的差值气压强）的差值。 声压的大小与物体的振动有关，物体振声压的大小与物体的振动有关，物体振动的幅度越大，压强的变化越大，产生的动的幅度越大，压强的变化越大，产生的声压（声强）

8、越大。声压（声强）越大。 声强声强:通过垂直于传播方向上的单位面通过垂直于传播方向上的单位面积的平均声功率，用积的平均声功率，用I表示。表示。教育电声系统四、平面声波和球面声波的区别四、平面声波和球面声波的区别 波阵面为平面 如细管中声波 I= W/S 它与距离无关。 波阵面为球面 I=W/4r2二者的关系：当声源频率较高时和与声源距离较远时，球面声场可作平面声场处理。教育电声系统第二节 声波的传播一、声速 声波在媒质中，每秒钟传播的距离。记作C，单位为米/秒。 C=331.5+0.6t(m/s) t为空气温度 室温下空气中声速 c=340m/s。声速的大小与媒质的弹性、密度和温度有关。教育电

9、声系统二、媒质对声波的吸收 声波在媒质中传播时，声能会由于物由于物体的振动或在物体内部传播时介质的摩擦体的振动或在物体内部传播时介质的摩擦或热传导产生损耗或热传导产生损耗，声能将逐渐减少，这种现象称为媒质的吸收。 它与媒质成分有关。取决于媒质的吸声系数另还与温度、湿度及声音频率有关。教育电声系统三、平方反比定律 众所周知，当我们离开声源时，随着距离的增加声强会逐渐减小，减小的原因是因为声强与声源的功率呈正比与距离的平方成反比。 对于点声源 I =W/4r2教育电声系统S点声源w教育电声系统四、 声波的反射和折射 当声波从一种介质到另一种介质时，在两种介质的交界面上一部分被反射，形成反射波。另一

10、部分穿过交界面进入第二介质形成折射波。教育电声系统I入I反1 21、声波的反射（同几何光学反射定律）、声波的反射（同几何光学反射定律）反射定律的基本内容是：（1） 入射声线、反射声线和反射面的法线在同一平面内。（2） 入射声线和反射声线分别位于法线的两侧。（3） 入射角等于反射角。 1=2教育电声系统法线法线教育电声系统 2、声波的折射声波的折射 sin 1sin 2=C1C2 1 2C1C2法线不同介质的分界面入射角与折射角的关系：教育电声系统由上式可见：由上式可见： 当当C1C2时，时，12；当当C1C2时，时，12。 声波声波从声速大的媒质进入声速小的媒从声速大的媒质进入声速小的媒质质中

11、，声波的传播方向中，声波的传播方向折向法线折向法线；反之，；反之，折离法线。折离法线。教育电声系统为什么声音在晚上要比白天传的远？ 因为白天地面温度较高，声速较大，远离地面的地方，声速较小，因而声的传播方向折向法线折向法线，向上弯曲。而晚上向下弯曲。教育电声系统五、 声波的绕射 上述假设声音是沿直线传播的，但这种假设只限于反射面或障碍物以及孔洞的尺寸比声波波长大得多时才有效。 当障碍物的大小比声波波长小得多时，则声波不是沿着直线传播，而是改变前进的方向绕过障碍物，这种现象称为波的绕射或衍射。教育电声系统隔板长度比波长大隔板长度比波长大教育电声系统声波的绕射与波长、障碍物的大小有关。声波的绕射与

12、波长、障碍物的大小有关。 声波波长在1.7cm17m的范围内，是可以与一般障碍物（如墙角、柱子等建筑部件）的尺度相比的，所以能绕过一般障碍物，使我们听到障碍物另一侧的声音。 教育电声系统六、声波的干涉与驻波现象 几个声源在同一媒质中传播时，每列波相遇后能够保持各自的状态继续传播，只是在相互重叠的区域内，空间某点的振动是每列波传播时在该点引起的振动的合成。声波声波的叠加原理的叠加原理。 每列波都对该点作出了独立的贡献，不会因某一声波的存在而影响其他声波的物理特性（波长、频率等）。教育电声系统 我们讨论一种最简单但又比较重要的情况，就是两个频率相同，振幅相同，相位差相同或恒定的波源所发出波的叠加。

13、 当这两个波在空间任何一点相遇时，在空间的某些点处，振动同向而加强，而在某些地方振动反向抵消或减弱。该现象称为波的干涉现象波的干涉现象。 教育电声系统 驻波是由两列振幅、频率相同、传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加而成。形成驻波时，它使直线上的某点始终静止不动，另一些点的振幅具有最大值，等于每一个波的振幅的两倍，其它各点的振幅在零到最大值之间，结果使直线上的各点作分段振动。驻波是一种特殊的干涉现象。教育电声系统教育电声系统波腹波节音叉振动后在弦线上产生一自左向右传 播 的行波，传到支点 O 后发生反射，弦线中产生一自右向左传播的反射波，当弦长接近12波长的整数倍时，形成驻波。 教育电声系统

14、 在这种分段振动中，各个分段各自独立的振动，它的波形并没有跑动，而是驻定不动的。始终静止不动的点称为波节。振幅最大值的各点称为波腹。 驻波是由波节和波幅相间组成的。波节与波腹每隔/4交替产生，相邻两波节或波腹相隔/2。教育电声系统 由于语言和音乐是由许多频率组成的复合音，即使发生干涉现象，也不易被人耳听见。 在一般情况下，在大型观众厅内，干涉现象就不那么严重。只有在小室内，如录音、播音、监听和琴室等小房间需特别注意这一问题。教育电声系统思考题：1、简述敲击音叉时声波的形成过程。2、声音与声波的区别。3、为什么顺风传播比逆风传播更容易听到声音？ 教育电声系统教育电声系统 随着鼓膜的往复振动，空气

15、随着鼓膜的振动发生疏密变化，而这些变化又引发相邻区域的变化，这样一点一点地相互影响，就使得鼓膜周围的空气密度和压力变化向周围空间推进，形成疏密地交替变化的声波。（纵波：传播方向（纵波：传播方向与质点振动方向一致与质点振动方向一致)教育电声系统教育电声系统教育电声系统调制器解调器广播电台广播广播电台广播广播电台收音机教育电声系统会场无线扩声会场无线扩声教育电声系统家庭放声系统家庭放声系统教育电声系统厅堂扩音厅堂扩音调音台或扩音机左音箱右音箱功率放大器CD、录音机、电子乐器等听众区教育电声系统家庭影院放音系统家庭影院放音系统教育电声系统节目制作系统节目制作系统-主传声器方式合唱队钢琴领唱调音台录音

16、机主传声器12341234教育电声系统节目制作系统节目制作系统-多（声道）传声器方式多轨录音机多轨录音机调音台音频处理音箱功率录音机音箱前期拾音与记录前期拾音与记录后期制作合成后期制作合成教育电声系统声音制作 将麦克风、线路输入、电脑中的声音录制下来，进行编辑、处理和添加效果后生成新的声音文件。教育电声系统音乐创作（制作） 借助于电脑音乐系统，可以把所有的声部、所有的乐器一轨一轨地录入电脑，自己是作曲也是指挥，而电脑就是你的演奏员。几乎所有的乐器都可用MIDI键盘演奏，一个人就能组成一个交响乐队。教育电声系统敲击鼓膜时,声波形成的过程如下: 鼓膜振动，当向左移动时，A处的空气受到挤压变得稠密，

17、形成密集区。这部分密度大的空气就会挤压临近B处的空气，使B处的空气有形成密部的趋势。但鼓膜很快又向右移动，此时A处的空气变得稀疏，形成疏部。这时B处的空气受到挤压变成密部，并且有使C处的空气有形成密部的趋势。教育电声系统 随着鼓膜的往复振动，空气随着鼓膜的振动发生疏密变化，而这些变化又引发相邻区域的变化，这样一点一点地相互影响，就使得鼓膜周围的空气密度和压力变化向周围空间推进，形成疏密地交替变化的声波。（纵波：传播方向与质点振动方向一致（纵波：传播方向与质点振动方向一致)教育电声系统1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。 1917年，电容式麦克风。1920年世界

18、上第一个无线广播电台开始播音。20-30年代有线广播、无线广播、有声电影普遍应用学校教育，形成教育技术史上“视听教育”的发展时期。1930年代中期，根据电容式麦克风原理，静电扬声器面世。1954年第一台晶体管收音机投入市场，仅包含4只锗晶体管。50年代左右声音的加工处理手段和立体声的研究有了很大的发展。1962年荷兰Philips公司推出盒式磁带录音机。60-70年代电声设备、电声器件朝着高保真、宽频带、高灵敏度和高抗噪声方向发展，立体声技术已经成熟。教育电声系统70年代世界各国大力发展“广播电视大学”这一时期作为教育传播媒介的电声媒体发挥了重要作用。同时也确立了她在教育领域中的地位。1972年，荷兰Philips公司推出了激光视盘机LD(Laser Disc)。这可是轰动一时的大事件，甚至可以作为数字时代的元年，因为这是在民用消费电子领域第一次出现了数字的概念。1981年Philips和Sony联合开发了数字激光唱机，称为CD唱机，全称 CD-DA。1987年年DAT开始进入家庭。此时家用音响系统的性能已达到模拟式专业音响系统的水平。 1990年年几乎是同时开发了DCC（数字盒式磁带录音机）和MD（小型激光唱片）。90年代以后，特别是计算机音频工作站的出现，使电声技术步入了一个崭新