聲學知識

1、聲學知識培訓(1),定制人員:胡小鵬 審核人員: 實施日期:,培訓目的,通過本課程的學習，您將能夠：聲音人耳聽覺特性人耳的聽覺范圍聲音的要素人耳的幾種效應適用對象：對音頻媒體感興趣的人,培訓大綱,聲音和聲波、聲壓、聲速、頻率、周期、波長，聲功率\聲強\聲級聽力范圍音高、響度、音色掩蔽效應、雙耳效應、主觀音、雞尾酒會效應、哈斯效應,聲音和聲波,聲波與

2、聲音是兩個有聯(lián)系, 又有區(qū)別的概念。聲音是由物體振動產(chǎn)生的，振動發(fā)聲的物體—聲源。聲音可以通過固體、液體、氣體等媒質(zhì)傳播。本質(zhì)是能量的傳播在空氣中，聲源的振動會使周圍的空氣質(zhì)點產(chǎn)生一定的疏密變化，并以一定的速度傳播出去形成聲波。（波動是振動在介質(zhì)中的傳播）,聲音和聲波,聲音是聲源振動引起的聲波傳播到聽覺器官所產(chǎn)生的感受. 可見, 聲音是由聲源振動, 聲波傳播和聽覺感受3個環(huán)節(jié)所形成的. 揚聲器發(fā)聲時, 會引起周

3、圍空氣的振動而產(chǎn)生聲波, 其傳播方向與空氣質(zhì)點振動方向相同. 因而, 聲波在空氣中是一種縱波.,聲強,聲波平均能流密度的大小叫聲強。 聲傳播時也伴隨著能量的傳播．用單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的能量(聲波的能量流密度)表示． 聲強是矢量，單位為W/m2（瓦/平方米）。,聲強,聲強的大小與聲速、聲波的頻率的平方、振幅的平方成正比。 超聲波的聲強大是因為其頻率很高，

4、炸彈爆炸的聲強大是因為振幅大。,聲強,聲音強度，以能量來計算稱聲強，以壓力計算表示時稱聲壓。聲強（I）與聲壓（P）的關系為： I=（P^2）/(ρv) 其中ρ-介質(zhì)密度，v-聲速,聲功率,聲強對面積積分，則為單位時間內(nèi)通過一定面積的聲波能量，因具有功率的單位，又叫做聲功率。 聲功率通常還很小，一個人說話的聲功率僅約10^-5W，故一千萬人同時說話，也只100W。人們發(fā)聲所消耗的能量絕大部分均轉(zhuǎn)化為其他形

5、式例如熱運動的能量，用于發(fā)聲的僅約1% 。,聲功率,聲壓,聲壓 （sound pressure） 原有大氣壓的基礎上又產(chǎn)生了一個隨聲波變化的交變壓強，此交變壓強即為聲壓。聲壓常用字母 "p" 表示，在國際單位制中，聲壓的衡量單位是帕斯卡（符號Pa）。,人耳剛好能聽到的聲壓約為,聲壓,聲壓的大小表示聲波的強弱. 大氣靜止時存在著一個壓力, 稱為大氣壓強, 簡稱氣壓. 當有聲波存在時,

6、局部空間產(chǎn)生壓縮或膨脹, 在壓縮的地方壓力增加, 在膨脹的地方, 壓力減小, 于是就在原來的靜態(tài)氣壓上附加了一個壓力的起伏變化. 這個由聲波引起的交變壓強稱為聲壓. 在一定時間內(nèi), 瞬時聲壓對時間取均方根值稱為有效聲壓. 用電子儀表測量得到的通常是有效聲壓, 人們習慣上講的聲壓實際上也是有效聲壓.,聲壓,聲壓示意圖: 1.無聲 2.可聞音 3.大氣壓 4.瞬時聲壓,聲壓級,聲壓級（SPL sound pressure

7、levels ） 人耳有一個的特點, 主觀感受的響度并不是正比于聲壓的絕對值, 而是大體上正比于聲壓的對數(shù)值. 為此, 在聲學中還用聲壓級來描述聲波的強弱, 用符號SPL表示, 單位為dB(分貝). 聲壓級定義如下:,式中Pe為聲壓有效值, Pr為參考聲壓, 人耳能聽到的最弱聲音, 即參考聲壓級為0 dB. 人類的對于 1KHz 的聲音的聽閾（即產(chǎn)生聽覺的最低聲壓）,聲壓級,聲壓級增加10分貝，人們感到響度約增加一倍

8、. 一般情況下，音量達 100dB 時，時間較長可造成不可恢復性聽力損傷；當音量高達110分貝時，足以使內(nèi)耳毛細胞死亡，嚴重者會造成聽力喪失。實際上，任何高于85分貝的聲音都能造成聽力損傷，每天8個小時90分貝，足以造成逐步和不可逆轉(zhuǎn)的聽力損傷,聲壓級,聲壓級,,聲速 頻率 波長,聲速:聲波在一秒內(nèi)傳播的距離為聲速，以C表示，單位是 m/s （米／秒）；常溫（15度）時，C=340 m/s ?？諝庵新曀伲篶 = 331.

9、45 + 0.61t 取室溫：340m/s頻率:聲波在一秒內(nèi)振動的次數(shù)為頻率，以f 表示，單位是 Hz；1KHz=1000Hz 。周期性振動完成一次振動所需的時間為周期，以T表示，單位是s（秒）。頻率和周期互為倒數(shù) T=1/ f ；波長:聲波每振動一次所走過的距離為波長，以λ表示，單位是m（米）,聲速 頻率 波長,聲速與媒質(zhì)的密度, 彈性等因素有關, 而與聲波的頻率, 強度無關. 當溫度改變時, 由于媒質(zhì)特性的變化, 聲速也會發(fā)生變

10、化. 當溫度為15 ℃時, 聲波在空氣, 水和鋼中的聲速分別為340 m/s, 1 450 m/s和5 100 m/s. 當溫度升高時, 聲速略有增加.,頻率和振幅,,,,,,,distance,,Velocity c,,,,,Wavelength l,,,,,PeriodT,,,Pressure,Time,,f (Hz),Wave number may be thoughtas spatial Frequency

11、波數(shù)也被稱為空間頻率,T is the period of propagating wave. f is the number of pressure variation per second.T=周期 f =頻率，即單位時間內(nèi)振動的次數(shù)波矢量k 角頻率ω,Sound wave in a tube,,,,,聲波的兩個基本特征量是頻率和振幅,波長和頻率,我們可以到，高頻率的聲音對應波長短，低頻率的聲音對應波長長。,頻率,

12、采樣定理 采樣頻率的高低是根據(jù)奈奎斯特理論（香農(nóng)采樣定理）和聲音信號本身的最高頻率決定的。 fs >= 2F F為聲音信號本身的最高頻率采樣頻率高于信號帶寬的一倍，那么，原來的連續(xù)信號可以從采樣樣本中完全重建出來。通訊與信號處理學科中的一個重要基本結(jié)論。,人耳的聽覺范圍,人耳的聽覺范圍 人耳對不同強度、不同頻率聲音的聽覺范圍稱為聲20Hz～20KHz為可聽聲；低于20Hz為次

13、聲；高于20KHz為超聲青年人1000Hz 、0dB--聽閥；1000Hz 、120dB--痛閥。 以上是以1K純音為準,人耳的聽覺范圍,其他頻率可聽聲的聽力閥和痛閥與1000Hz聲音不同，低于1000Hz和高于4000Hz的聽閥都高于0dB，即人耳對它們的靈敏度較差；聽閥曲線最低的是3000～4000Hz的聲音。,人耳的聽覺范圍,,人耳的聽覺范圍,聽覺心理要素,聲音的聽覺心理主觀感受主要有：音高、響度、音色特性，又稱為

14、聲音“三要素”。,音高,音高：音調(diào)也稱音高調(diào)，表示人耳對聲音調(diào)子高低的主觀感受，客觀上音高大小主要取決于聲波基頻的高低，頻率高則音調(diào)高，反之則低，單位用赫茲(Hz)表示。 音調(diào)的變化與頻率的關系是對數(shù)關系，頻率每高一倍(一個倍頻程）、音調(diào)就高一個八度。音調(diào)的單位是“美”，通常定義響度為40方的1kHz純音的音高為1000美，赫茲與“美”同樣是表示音高的兩個不同概念的單位。,音高,音高同樣也依賴聲音的振幅，尤其是聲頻偏

15、低的時候。譬如低音符發(fā)出的音量越大，感受到的音高越低。和其他感官知覺一般，某些相似的音高亦會迷惑聽覺系統(tǒng)，導致聽覺錯覺產(chǎn)生。,音高,頻率每高一倍(一個倍頻程）、音調(diào)就高一個八度。,響度,響度：是與聲強相對應的聲音大小的知覺量。聲強是客觀的物理量，響度是主觀的心理量。響度不僅跟聲強有關，還跟頻率有關。 響度受聲強制約，聲強級提高，響度級一般也要提高。 響度不僅和聲強有關，還和頻率有關，聲強級

16、相同的純音，頻率不同，響度級也不相同。,響度,當聲音減弱到人耳剛剛可以聽見時，此時的聲音強度稱為“聽閾”；當聲音增強到使人耳感到疼痛時，這個閾值稱為“痛閾”，聽閾和痛閾隨聲壓和頻率的變化而變化。聽閾和痛閾隨頻率變化的曲線叫“等響度曲線” 響度的數(shù)量標度單位是宋（Sone）。響度為2宋的聲音比1宋的聲音響兩倍，1宋的聲音又比0.5宋的聲音響兩倍。1宋等于頻率為1000Hz、聲壓級為40dB的純音的響度。,響度,人耳的

17、可聽閥是一個類似“V”字形曲線，除中音外，對高音和低音都不夠 敏感，要感到同樣響度，高音和低音需要較大的聲壓級。例如，200Hz的30dB的聲音和1kHz的10dB的聲音在人耳聽起來具有相同的響度，這就是所謂的“等響度”。,響度,,響度,對于1kHz純音，0dB-20dB為寧靜聲，30dB--40dB為微弱聲，50dB-70dB為正常聲，80dB-100dB為響音聲，110dB-130dB為極響聲。而對于1kHz以外的可聽聲，在同一級

18、等響度曲線上有無數(shù)個等效的聲壓-頻率值。,響度,當聲壓發(fā)生變化時, 人們聽到的響度會有變化. 例如聲壓級在50 dB以上時, 人耳能分辨出的最小聲壓級差約為1 dB； 而聲壓級小于40 dB時, 要變化1～3 dB才能覺察出來.,音色,音色： 是聲音的特色，根據(jù)不同的音色，即使在同一音高和同一聲音強度的情況下，也能區(qū)分出是不同樂器或人聲發(fā)出的。同樣的音量和音配上不同的音色就好比同樣色度和明度配上不同的色相的感覺一樣。,

19、音色,音色的不同取決于不同的泛音，每一種樂器、不同的人以及所有能發(fā)聲的物體發(fā)出的聲音，除了一個基音外，還有許多不同頻率的泛音伴隨，正是這些泛音決定了其不同的音色，使人能辨別出是不同的樂器甚至不同的人發(fā)出的聲音。每一個人即使說話也有不同的音色，因此可以根據(jù)其聲音辨別出是不同的人。,音色,根據(jù)傅立葉級數(shù)原理，周期函數(shù)都可展開為一組常數(shù)與有共同周期的正弦和余弦之和。常數(shù)為直流分量，最小正周期為基波或一次諧波，它的位數(shù)稱之為高次諧波。

20、 基頻決定音高，諧波決定音色。,音色,聲音的音色色彩紛呈，變化萬千，高保真(Hi-Fi)音響的目標就是要盡可能準確地傳輸、還原重建原始聲場的一切特征，使人們真實地感受到諸如聲源定位感、空間包圍感、層次厚度感等各種臨場聽感的立體環(huán)繞聲效果。,音色,,音值,又稱時值。指音延續(xù)的時間長短，由發(fā)音體振動的時間長短決定。,,波譜查看分析儀,人耳的幾種效應,掩蔽效應雙耳效應主觀音雞尾酒會效應哈斯效應,掩蔽效應,其它聲（噪聲）的存在，使得

21、人們對目標聲音的聽力降低。其規(guī)律如下：1、低頻聲易掩蔽高頻聲，而高頻聲不易掩蔽低頻聲。2、掩蔽聲的聲壓級越高，掩蔽能力越強，頻帶也越寬。3、掩蔽聲的頻帶越寬，對目標聲掩蔽的頻帶越寬。4、掩蔽聲與目標聲的頻率越接近，掩蔽能力也越強。5、頻率相近的純音容易掩蔽，但過于接近則會產(chǎn)生差拍，反而使掩蔽減弱。,掩蔽效應,靜音門限和掩蔽門限（灰色區(qū)域中的聲音聽不到）,雙耳效應,1、雙耳可聽到比單耳更小的聲音，差值3dB；聲壓35dB以上時差

22、值6dB。2、雙耳可正確的確定音源的方位，但隨著聲音的性質(zhì)和周圍的情況而改變。 時間差效應，聲強差效應 相位差 音色差 人耳區(qū)分回聲和原聲的最短時間間隔是0.1秒。,主觀音,當聲音變強時，人耳會感覺到原來聲音中所沒有的頻率聲音，這是因為人耳中傳輸聲音的機構(gòu)有非線性而產(chǎn)生了失真，除了基音外，還會產(chǎn)生各種諧音及它們的和音和差音。聲音越強諧波的次數(shù)越高。,雞尾酒會效應,人們具有能從眾多聲音中選擇出自己要聽的聲音的能

23、力，如在雞尾酒會的嘈雜環(huán)境中能聽到特定的人的講話，而從錄音中其他人卻很難聽清。 在遠處突然有人叫自己的名字時，我們會馬上注意到。又比如，在周圍交談的語言都不是我們的母語時，我們可以注意到較遠處以母語說出的話語。我們所注意的聲源所發(fā)的音量，感覺上會是其他同音量的聲源的三倍。,哈斯效應,如果延遲聲的聲壓級小于先導聲，無論延遲聲的來向如何，只要延遲聲遲于先導聲17ms，就不會感到延遲聲的存在。 當延遲聲的

24、方向接近先導聲時，即使延遲30ms，也不會感到延遲聲的存在。 當延遲時間達到25～50ms，延遲聲才會被感覺到，但與先導聲之間仍不能被分開當延遲時間超過50ms時，才會感到延遲聲的存在。,哈斯效應,在一般劇場擴聲設計中，為了提高聲場的均勻度和利用揚聲器的方向性來提高系統(tǒng)的傳聲增益，通常將主揚聲器設置在舞臺臺口上方，此時觀眾席的前排觀眾就會感覺到聲音是從舞臺臺口的頂部傳來的，造成聲像的不統(tǒng)一，為了解決這個問題，有時會在舞臺