01、聲學(xué)原理

1、聲學(xué)基本知識,聲音的定義,定義：聲音是粒子運動的結(jié)果，即物體振動產(chǎn)生的聲波，通過介質(zhì)對人耳產(chǎn)生的感覺叫聲音。 人們之所以能夠聽到聲音，是由于聲波振動引起的，并通過傳聲媒質(zhì)（如：空氣、水、混凝土等彈性物質(zhì)）傳播進入人耳。,聲音的傳輸,物體振動產(chǎn)生的聲音，必須由空氣或其他媒質(zhì)的傳播，才能使我們聽到。沒有空氣或其他媒質(zhì)，我們就聽不到聲音。月球上沒有空氣，所以月球是"無聲的世界"。,空氣是如何傳播聲音？,我們以敲鼓為例

2、來說明,聲音的傳播過程（自然狀態(tài)）：當(dāng)一個物體受外力作用時，產(chǎn)生一個往復(fù)的彈性振動，這樣就產(chǎn)生了聲波，經(jīng)過介質(zhì)（物體、空間或水）向四面八方傳播。當(dāng)人耳接受聲波的振動，通過聽覺神經(jīng)傳達給大腦。,人耳 的聽覺,外耳和中耳之間一層薄膜，叫做鼓膜。平常我們看到的耳朵就是外耳，它起著收集聲波的作用。聲波由外耳進來，使鼓膜產(chǎn)生相應(yīng)的振動。這一振動再由中耳里的一組耳骨傳到內(nèi)耳，刺激聽覺神經(jīng)并傳給大腦，我們就聽到了聲音。,聲音的物理特性,聲音的構(gòu)成及關(guān)

3、系主觀：響度；音調(diào)；音色（聲音的三要素）客觀：振幅（大、?。活l率（快、慢）；諧波,聲音的三要素之響度,響度： 聲音的強弱稱為強度，它由氣壓迅速變化的振幅(聲壓) 大小決定。它首先決定于聲音的振幅，其次是頻率。聲學(xué)中把描述響度、振幅、頻率之間的關(guān)系曲線叫等響度曲線。單位：分貝（dB） 但人耳對強度的主觀感覺與客觀的實際強度并不一致，聲壓計量單位為分貝(db)，它是根據(jù)1000Hz的聲音在不同強度下的聲壓比值

4、，取其常用對數(shù)值的 l／10而定的。 取對數(shù)值的原因是由于強度與響度的增加不是成正比關(guān)系，而是真數(shù)與對數(shù)的關(guān)系！例如聲音強度大到10倍時，聽起來才響了一級(10dB)，強度大到100倍時聽起來才響了兩級(20dB)。 對于1000Hz的聲音信號，人耳能感覺到的最低聲壓為2×10E－5Pa，把這一聲壓級定為0dB，當(dāng)聲壓超130dB時人耳將無法忍受，故人耳聽覺的動態(tài)范圍為0～130dB。,純音等響曲線,聲音的

5、三要素之響度,聲音的三要素之音調(diào),音調(diào)： 具有一特定且通常是穩(wěn)定音高的信號。 通俗的講是聲音聽來調(diào)子高低的程度。 它主要取決于頻率，還與聲音強度有關(guān)。 聲音的音調(diào)高低與物體振動的頻率高低有關(guān)。頻率高的聲音，叫做高音；頻率低的聲音，叫做低音。 音調(diào)隨頻率(Hz)的變化基本上呈對數(shù)關(guān)系。 不同的樂器演奏同樣頻率的音符，音色雖然不同，但它們的音調(diào)是相同的，也就是演奏聲音的基頻是相同的。 頻率

6、越高，人耳感覺的音調(diào)隨之升高，頻率增加一倍，聲學(xué)中稱之增加一個“倍頻程”，音樂上叫“提高一個八度”。音調(diào)單位：美,聲音的三要素之音調(diào),在重放聲音中，當(dāng)高音和低音分量適當(dāng)時，聽起來就會感到聲音清晰而柔和，有自然的感覺。如管弦樂中失去了低音，則感到聲音尖銳刺耳；失去了高音，則感到聲音混濁不清，有煩躁的感覺。因此，聲音的頻率范圍越寬越好。人耳所能聽到的聲音頻率范圍大約在20-20000HZ之間（這一范圍的頻率叫做聲頻或音頻）。,聲音的三要素之

7、音色,音色： 指聲音的音調(diào)和響度以外的音質(zhì)差異。它與聲音的頻譜結(jié)構(gòu)、包絡(luò)和波形有關(guān)。發(fā)音體的泛音結(jié)構(gòu)不同頻率特性曲線、種類不同造成音色結(jié)構(gòu)的不同。 對聲音音質(zhì)的感覺，也是一種聲音區(qū)別于另一種聲音的特征品質(zhì)。不同的樂器在發(fā)同一音調(diào)時，它們的色可以迎然不同。這是由于它們的基頻頻率雖相同，但諧波成分相差甚大。故音色不但取決于基頻，而且與基頻成整倍數(shù)的諧波密切有關(guān)，這就使每種樂器和每個人有不同的音色。 用各種不同的

8、樂器演奏同樣的一個樂音，雖然音調(diào)與響度都不一樣，但聽起來，它們各自的音色卻不一樣，這是由于物體振動所形成的聲波波形不相同的緣故。這種獨特的波形就決定了某種樂器（或某人的聲音）的特色，叫做音色或音品。自然界的聲音一般都是復(fù)合聲波，而不是單一正弦波的聲音。,聲音的三要素之音色,如圖所示的復(fù)合聲波，是由它的基波、二次諧波、三次諧波（幾次諧波就是它的頻率為基波頻率的幾倍）等所構(gòu)成。各種物體所發(fā)出的每個聲音都有它特定的諧波，所以聲音的合成波形也不

9、同。即使兩個聲音的基波與諧波的頻率完全一樣，然而由于兩者的基波與諧波之間的振幅比值不同，也會使合成后的聲波波形有所不同，使聲音也不同。這樣，就造成各種聲音的獨特音色，形成自然界各種各樣聲音的區(qū)別。,聲音的客觀特性之振幅,振幅： 聲波的振動幅度，它的大小影響人耳對聲音強弱的感 覺強度（即響度）單位：分貝（dB）,聲音的客觀特性之頻率,頻率： 聲波每秒鐘振動的次數(shù)。它直接影響人耳對聲音高

10、 低（音調(diào)）的感覺。單位：赫茲（Hz） 各個物體振動有快有慢，例如細而短的琴弦振動比較快，粗而長的琴弦振動比較慢。例如某種物體的振動次數(shù)為每秒100次時，它的頻率就是100HZ。,聲音的客觀特性之頻率,諧波： 諧波：指聲波的波形。包括瞬間狀態(tài)。它直接影響人們對聲音音質(zhì)差異（音色）的感覺。（如樂器不同，頻率相同聽覺則不相同。）,聲音的傳播速度,在海拔空氣壓力下，21攝氏溫度時，聲音速度為344m／s。

11、 我們常用的聲音速度是34Om／s，這個是在15攝氏度的溫度時聲音的速度。 聲音的速度會隨著空氣溫度及空氣壓力而改變的，溫度越低，空氣里的分子密度就會增高，所以聲音的速度就會下降。 而如果在高海拔的地方，因為空氣壓力減少，空氣內(nèi)的分子變得稀少，聲音速度就會增加。,波長的計算,聲波振動一周所傳播的距離叫“波長”用λ表示 聲波一秒鐘傳播的距離叫“波速”用c表示 聲波一秒鐘振動的次數(shù)叫“頻率”用 f表示 它們

12、之間的關(guān)系：λ=c/f 音頻及波長與聲音的關(guān)系是：波長=聲音速度／頻率； λ=v／f，如果假定音速是344 m／s時，100Hz的音頻的波長就是3．44 m，1000hz(即lkHz)的波長就是34．4 cm，而一個20kHz的音頻波長為1．7cm,室內(nèi)聲音的傳播特性,直達聲反射聲混響聲,室內(nèi)聲音的傳播特性,直達聲,直達聲：是室內(nèi)任一點直接接收到聲源發(fā)出的聲音。 它是接收聲音的主體，又叫主達聲，不受空間界面影響，其聲強基本上

13、是與聽點到聲源間距離的平方成反比衰減。 距離每增加一倍，聲壓級衰減6dB。,室內(nèi)聲音的傳播特性,反射聲,早期反射聲：指延遲直達聲50ms以內(nèi)到達聽聲點的反射聲，對聲音起到增強作用；在大空間內(nèi)，因反射距離遠，易形成回聲，產(chǎn)生空間感。,室內(nèi)聲音的傳播特性,混響聲,混響聲：聲波經(jīng)室內(nèi)界面的多次反射，遲于早期反射聲到達聽點的聲音，直至聲源停止發(fā)聲，但由于多次反射，聽點仍能聽到，故又稱余聲，影響聲音的清晰度?；祉憰r間：在一個聲場中，一個聲音

14、的聲壓級衰減60dB所需要的時間，用T60來表示。單位：秒（s）T60=0.16V/Sa (賽賓公式)V：聲場總?cè)莘e S：聲場的表面積 a：聲場的建筑裝飾材料的平均吸聲系數(shù)。例：某段音樂的聲壓級為90dB，此時中止音樂，音樂聲逐漸減弱，當(dāng)其聲壓級從90dB降至30dB時可需時1.2秒，那么，此房間的混響時間為1.2秒。,混響時間：T60,混響時間：T60,室內(nèi)聲音的傳播特性,室內(nèi)聲音的傳播特性,聲音的指向性與覆蓋范圍,高頻

15、 聲音指向性很強 覆蓋角度窄小、射程遠、穿透力強中頻 有一定指向性 覆蓋面積比較容易控制低頻 指向性不明顯 向四面輻射、聲功能損失大、傳播距離近,聲音的指向性與覆蓋范圍,聲音的指向性與覆蓋范圍,聲音的共振,聲音的振動和傳播過程中，有一種很重要的物理現(xiàn)象——共振，也叫共鳴。定義：當(dāng)策動力變化的頻率跟物體的固有頻率相一致時，振動的振幅就會特殊地增大到最高峰值，這種現(xiàn)象叫共振。,聲音的共振,小提琴 共鳴箱較小 共振頻

16、率高 為256-1100Hz 大提琴 共鳴箱增大 共鳴頻率低 為110-400Hz 貝斯提琴 共鳴箱最大 共振頻率更低 為80-350 Hz 薩克斯： 左右手指全按下 共振腔容積最大 共振頻率低 發(fā)低音 右手指抬起 共振腔容積縮小 共振頻率提高 發(fā)中音 雙手全抬起 共振腔體最小 共振頻

17、率最高 發(fā)高音,例一：部隊行軍步伐的振動頻率與橋梁的固有振動頻率相一致時，會因共振的產(chǎn)生而坍橋。例二：暖水瓶接水，聽到的聲音會由低頻逐漸變成高頻率聲音。水流擊水產(chǎn)生的聲音頻寬很寬，即有低頻、又有高頻。剛接時瓶的空間大固有振動頻率低，水流擊水的低頻音產(chǎn)生共振，低頻加強，快滿時，水瓶的空間變小，共振腔變小，共振頻率提高，與水流擊水產(chǎn)生的高頻音產(chǎn)生共振，高頻加強，即聽到高頻音。,聲音的共振,聲音的掩蔽現(xiàn)象,當(dāng)不同頻率的聲音在同一聲場中

18、傳遞，各頻率之間會發(fā)生掩蔽現(xiàn)象。,現(xiàn)象一：聲音能量大的掩蓋聲音能量小的。,現(xiàn)象二：中頻聲音掩蓋高頻和低頻聲音。,現(xiàn)象三：高頻聲音掩蓋低頻聲音。,聲音的顱骨效應(yīng),聲音從音源傳入大腦有兩個途徑， 一是 音源→空間→ 人耳→大腦，另一途徑是 音源→人體顱骨→大腦（小實驗：雙手堵耳，發(fā)聲，仍可聽見）通過顱骨傳導(dǎo)聲音的現(xiàn)象叫顱骨效應(yīng)?，F(xiàn)象一：聽自己的聲音，有兩個途徑，頻帶寬，音色好。現(xiàn)象二：手表、鐘擺聲音仍可通過牙齒和顱骨傳遞到人的大

19、腦神經(jīng)。,聲音的雞尾酒會效應(yīng),在嘈雜的聲場中，人可以把自己的聽力集中在某一個人的談話中，而把其他人的聲音都推到背景雜聲中，此現(xiàn)象叫“雞尾酒會效應(yīng)”。原理：人耳的選擇功能人耳通過兩耳拾取音源的距離差、時間差、頻率差就可以辨別出不同方位的聲音，以此調(diào)解聽覺神經(jīng)來選擇不同方位的聲源。,聲音的回音壁效應(yīng),在某一聲場中，視覺看不到聲源而聽覺卻能聽到聲音，這種現(xiàn)象就是聲波傳播的特殊反射作用的結(jié)果，被稱謂“回音壁效應(yīng)”。例：早些年的舞臺上方、

20、側(cè)方、后方的聲音反射板即是利用這一原理把演員的聲音集中向直達聲弱的區(qū)域進行反射。,聲音的哈斯效應(yīng),一個聲場中的二個同頻聲源，在傳入人耳的時間差在50ms以內(nèi)時，人耳無法明顯辨別出它們的方位。那個聲源的聲音先入，那么人就感覺到聲音即由此方位傳來。這種先入為主的聽覺特性叫哈斯效應(yīng)。,現(xiàn)象一：兩側(cè)聲源A、B與人耳距離相同時，人們感覺聲音由前方來，俗稱“假立體聲”?，F(xiàn)象二：當(dāng)距離A聲源略近時，實際應(yīng)是A音大，B音小的兩個聲源，但人們往往只感覺

21、到所有聲音均由A輸出，這種錯覺現(xiàn)象即是“哈斯效應(yīng)”。現(xiàn)象三：將近點A的聲音加以延時，使它遲于B聲源進入人耳，人們即感覺到所有聲音均由B聲源發(fā)出。,聲音的干涉現(xiàn)象,聲波在傳輸過程中具有相互干涉作用。 兩個頻率相同、振動方向相同且步調(diào)一致的聲源發(fā)出的聲波相互疊加時就會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。 如果它們的相位相同，兩波疊加后幅度增加聲壓加強；反之，它們的相位相反，兩波疊加后幅度減小聲壓減弱，如果兩波幅度一樣，將完全抵消。 由于