第11次课声学基础知识课件

1、第二章 声学基础知识本节教学目标1.了解声音的产生及基本特征；2.掌握声压、声压级、声强、声功率的概念；3.了解人耳的听觉特性和声音的传播状态。 现实世界是声音的世界。我们会听到各种各样的声音：歌声、说话声、乐器声、噪声等等，且不但能感觉到声音的强度、音调和音色，而且还能感觉出声源的方向和距离，即空间印象感立体感。本章将介绍声学基础知识。 第一节 声音的基本特点一、声音的产生 声音是由机械振动产生的。当一物体振动时，会激励它周围的媒质发生振动。若媒质具有压缩性，则在媒质的相互作用下，周围的媒质就产生了交替的压缩和膨胀，并且逐渐向外传播。因此，凡是具有强性的物质，如气体、水、钢铁、混凝土等强性物

2、质，都能传播声波。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，而被扰动的媒质又会对它的外围相邻媒质产生扰动，这种扰动的不断传递就是声音产生与传播的基本机理。存在着声波的空间称为声场。声场中能够传递上述扰动的媒质称为声场媒质。二、声速(c) 、频率(f ) 、周期(T) 、波长() 声音在媒质中的传播速度称为声速(c,m/s) 。0时，1个大气压空气，c=331.5m/s，室温下（ 15时）， c334m/s。声波在不同的媒质中其传播速度是不同的，媒质密度越大，则传播速度越快，比如声音在海水里的传播速度是空气中传播速度的五倍。频率(f ，Hz) ；周期(T，s)

3、 ，T=1/f ；波长(，m) ， = c /f 。三、声压、声压级、声强级、声功率级1、声压：有声音存在时，大气压强会有微弱的起伏变化，我们将此压强的变化量称为声压，以p表示，单位为aa=1N/m2人耳可听阈人耳刚刚能感受到声音。 P0=210-5Pa I0=110-12W/m2人耳疼痛阈人耳感到痛的声压。 P=20Pa I=1W/m2人耳能听到的最小声压和能忍受的最大声压相差很大，达到100万倍以上。为了讨论方便，同时实验证明，人耳对声音强弱的感觉是与声压的对数成正比的，这就是著名的韦伯定律因此引入声压级(SPL或Lr)的概念，单位为分贝（dB）.定义为：声压与基准声压之比取以10为底的对

4、数乘以20，用Lp表示，单位为dB。 Lp=20lg(P/P0) P为被指定的声压； P0可听阈值 210-5Pa （基准声压值）2、声压级声源名称声压（Pa ）声压级（B）正常人耳能听到的最弱声音210-5郊区静夜210-4耳语210-3相隔米处讲话210-2高声讲话织布车间柴油机喷气机起飞导弹发射核爆炸由表可知，自然界可能出现的各种声源中，其声压的大小是十分悬殊的，大小之间可以相差上亿倍。3、声强级1 单位时间内通过与指定方向垂直的媒质单位面积的声能量称为声强，用表示单位：m 声强级：声强与基准声强之比取以10为底的对数乘以10，用LI表示，单位为dB。声强级：基准声强值 110-12W/

5、m2声压与声强的比较 声强和声压都可以表示声场中声音的大小。但声强指的是单位面积上穿过的声能，而声压是单位面积上的力。在实际使用中，声强不易直接测试，但通常可以用测得的声压来换算。声强与声压的平方成正比。4、声功率 声功率指声源在单位时间内向外辐射的声能。在噪声检测中，声功率指的是声源总声功率。单位为，W 声功率与声强的关系为：I=W/S S声波垂直通过的面积， 声功率与声压的关系为：W=(P2*S)/(c),P2=I*c S声波垂直通过的面积， c媒质的特性抗阻，单位为瑞利，即帕*秒/米（Pa*s/m）声功率级：基准声功率值 110-12W声功率级：声功率与基准声功率之比取以10为底的对数乘

6、以10，用Lw表示，单位为dB。1.点声源随距离的衰减（少量音箱） 在点声源向自由空间辐射声能的条件下，距声源r米处声压级与声功率级的关系为： 距离每增加一倍，声压级降低6dB。四.声音在户外的传播2.线声源随距离的衰减(多只音响组合线阵) 无限长线声源的声压级：距离每增加一倍，声压级降低3dB；3.面声源随距离的衰减 观测点与声源的距离较近，声能没有衰减；当距离较远时，声压级降低的数值为3-6dB。一、反射定义：声波在传播过程中碰到坚硬的物体，一部分声波的传播方向改变，这就是反射现象。反射角与入射角相等，另外有一部分声波将透过物体继续前进。上述情况是规则反射。波长很短的声波在传播过程中碰到凹

7、凸不平的表面，会发生乱反射（散射）；波长较长的声波不会发生乱反射。第二节 声波传播的状态1、定义：当声波遇到墙面或其它物体时，部分声波能够绕过障碍物的边缘前进，这种现象称为绕射。2、绕射的条件：绕射与障碍物的大小及声波的波长的比值有关，频率越高，越不容易产生绕射，因而传播的方向性较强。（房间里也可听到屋外汽车的声音）二、绕射声波产生绕射的条件是：l5式中，l为障碍物的尺度，为声波的波长。当障碍物的尺度在510范围内时，声波仍有一些绕射，但只限于局部范围，并且会产生明显的声影区；若障碍物的尺度接近30，则声波几乎完全被遮挡。绕射声波的吸收 当声波穿过墙壁传播时，由于空气微粒遇到摩擦，墙壁所吸收的

8、声能被转化为热能。在正常情况下，这种热量是非常小的，因为一般声音中所含的能量是微乎其微的。地毯、布帘、玻璃纤维及普通的吸声方砖等纤维状的材料有较高的吸声能力，这是因为声音要在纤维和小孔中进行多次反射，而每一次反射都要引起能量的消耗。被吸收的声能和入射声能的比值称为反射面的吸声系数 三、干涉声波的干涉是指一些频率相同的声波叠加后所发生的现象。干涉的结果是使空间声场中各处的声音不是一样响亮，甚至很小。如果它们的相位相同，也就是在同一时刻处于相同的压缩或膨胀状态，则两个声波互相叠加而加强；若相位相反，则叠加后会减弱；如果它们之间存在着一定的相位差，则叠加后有增强也有减弱。声波的干涉水波的干涉2.房间

9、共振 在一些内装修材料比较坚硬的矩形房间内，当声源发声时，常会出现驻波，也就是说房间内某些频率会被大大的加强。我们就说房间出现了共振现象。共振的危害：持续发出的某种频率的声音会使玻璃杯破碎。机器的运转可以因共振而损坏机座。高山上的一声大喊，可引起山顶的积雪的共振，顷刻之间造成一场大雪崩。行驶着的汽车，如果轮转周期正好与弹簧的固有节奏同步，所产生的共振就能导致汽车失去控制，从而造成车毁人亡 第三节 人耳的听 觉 特 性声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，然而并非所有声波都能被人耳所感知（听觉）时，即使人耳能感知到声音，其感觉也各有不同，因为人的听感是一个非常复杂的物理生理心理过程。这说明，声音虽

10、然由振动产生而客观存在，但是它给予人的主观感受却与客观实际上有一定差距，甚至还可能会产生“错觉”，这就是本节所要讨论的人的听觉特性。人耳的听觉范围1. 频率范围：20Hz-20kHz2. 声压级的范围人耳对不同频率的声音在相同声压时的感觉不同听阈：210-5 Pa（0dB）痛阈：2101 Pa（120dB）声音三要素人对声音的感知有响度、音调和音色三个主观听感要素。人的主观听感要素与声波的客观物理量：声压、频率和频谱成分之间既有着密不可分的联系，又有一定的区别，体现了人类听感是个复杂的生理与心理的运动过程。一、响度人耳对声音强弱的主观感觉称为响度。它是与声波振幅这个物理量相对应的心理量。决定响

11、度的因素主要是作用在人耳的声压或声强大小，但两者并不成正比，且同样的声压在不同频率时，感觉的响度也不同。声学上采用响度级来区别不同的响度：将一个声音与1kHz的纯音作比较，当听起来两者一样响时，这时1kHz的纯音的声压级数值就是这个声音的响度级，单位是方(phon)。等响曲线是反映人耳对声压的主观感觉的曲线。等响度曲线的特性1低声压级时，等响度曲线上各频率声音的声压级相差很大。高声压级时，等响度曲线比较平坦，说明在高声压时，各频率的听感等响基本相同。曲线簇在高频段，高响度级与低响度级的曲线斜率及其间隔基本一致，说明高频段的响度变化和声压级增量基本一致；而在曲线低频段，低响度级曲线斜率变化甚大，

12、等响度曲线的间隔却较小，说明低频段声压级的微小变化会导致响度的较大变化等响度曲线的特性2在等响曲线中，3kHz到5kHz频率附近的声音达到某个响度级所需的声压级较其他频率处要低，这是因为外耳道对它产生共鸣，使得这一频段的声音听起来比较响。 （外耳道的谐振频率约为3000Hz ）也就是说，人耳对3kHz到5kHz频率的声音最为敏感。应用：许多立体声功放和接收机都具备有“响度”控制，通过提升低频响度，使得高低频率较为平衡，从而使听者感到声音的平衡，用以弥补人耳听觉上的低频灵敏度的不足。（均衡器）二、音调也称音高，是人耳对声音调子高低的主观感觉。主要取决于声音的频率，随着频率的增多而增高，但它不与频

13、率成正比关系。对不同的频段，人耳对音调的辨别能力不同，中频段最灵敏，高频段和低频段较差。乐器人声的频率分布1贝司：低音吉它：频响在7001KHz之间，提高拨弦音为6080Hz 电贝司：低音在80250Hz，拨弦力度在7001KHz 吉它：电吉它：651.7KHz，响度在2.5KHz，饱满度在240Hz 木吉它：低音弦：80120Hz，琴箱声：250Hz，清晰度：2.5KHz、3.75KHz、5KHz 鼓：低音鼓：27146Hz，低音：6080Hz，敲击声：2.5KHz 小鼓：饱满度：240Hz，响度：2KHz 通通鼓：丰满度：240Hz，硬度：8KHz 地筒鼓：丰满度：80120Hz 吊钗：1

14、302.6KHz，金属声：200Hz，尖锐声：7.510KHz，镲边声：12KHz 乐器人声的频率分布2人声：男：低音82392Hz，基准音区64523Hz 男中音123493Hz，男高音164698Hz 女：低音82392Hz，基准音区1601200Hz 女低音123493Hz，女高音2201.1KHz 手风琴：饱满度：240Hz 钢琴：低音在80120Hz，临场感2.58KHz，声音随频率的升高而变单薄 Trumpet（小号）： 1462.6KHz，丰满度：120240Hz，临场感：57.5KHz 小提琴：1743.1KHz，丰满度：240400Hz，拨弦声：12KHz，明亮度：7.510

15、KHz 大提琴：612.6KHz，丰满度：300500Hz 中提琴：1232.6KHz 琵琶：1101.2KHz，丰满度：600800Hz 乐器人声的频率分布3二胡：2931318Hz Flute（笛子）：2202.3K Piccolo（短笛）：4944.1KHz Oboe（双簧管）：2202.6KHz Clarinet（单簧管）：1462.6KHz Bassoon（巴松管、低音管）：552.6KHz French Horn（法国号）：732.8KHz Trombone（长号）：652.6KHz Tuba（低音号）：432.6KHz 音调的应用频率低的调子（蔡琴 、莫文蔚）频率高的调子（宗祖英

16、、郭兰英）频率低的调子给人以低沉、厚实粗犷的感觉，而频率高的调子则给人以亮丽、明快、尖刻的感觉。三、音色人耳对声源发声特色的主观感觉。它是人的听觉上区别具有同样响度和音调的两个声音之所以不同的声音要素，也称为音品。音品是有声音波形的谐波频谱和包络决定的。音色声音的包络1声音的包络，就是指乐音（或声音）中的每个频率（振幅）周期巅峰间的连线。声音的包络分为起音（Attack）、衰减（Decay）、延持（Sustain）、消逝（Release，或译为消释），每个价段的不同特征对声音特征有明显的影响。因此，包络有时又可称为ADSR（即Attack、Decay、Sustain、Release的缩写）或E

17、C。声音的包络AttackReleaseSustainDecay音色声音的谐波3如：每个人讲话都有自己的音色，各种乐器演奏同一曲调时，人们也能区别出各种乐器特有的音色如：钢琴和黑管（下页）当黑管和钢琴发出等响度且基频同为100Hz的乐音时，我们完全能分辨出这是两中截然不同的乐器发出的声响，绝不会混淆，就是因为它们不同的谐波分量。 两种乐器产生的声音尽管基频相同，它们谐波成分的大小和分布却不尽相同。人耳正是根据频谱分布的不同特点得出足以区分声源的综合印象来 音色声音的谐波4噪声紊乱断续或统计上随机的声音称为噪声不需要的声音也称为噪声例如：外界传入教室的声音重型卡车的声音电锯的声音发动机的声音人耳

18、的听觉特性、掩蔽效应当强度不同的两个声音同时出现时，强度大的声音会把强度弱的声音淹没掉，此时人耳只能听到强度大的声音而听不到强度弱的声音要听到强度弱的声音必然要提高听阈的现象，称为掩蔽效应、鸡尾酒会效应心理情绪引起的一种现象人们有从许多声音中选择自己要听到的声音的能力在鸡尾酒会中，人们可以对特定的人的讲话听的最清楚，这种效应称为鸡尾酒会效应如各种电影中的宴会场景（泰坦尼克号）影视剧中的礼堂、菜市场等、双耳定位效应人的双耳位于头颅两侧，他们不但在空间上处于不同的位置，而且还被头颅阻隔由同一声源传来的声波到达两耳时，总会产生不同程度的差别,这就是双耳效应。这些差别主要有：声级差、时间差、音色差、相位差。、主观音当声音变强时，人耳会感觉到原来声音中没有的频率的声