音響工程基礎(chǔ)知識(shí)——聲學(xué)基礎(chǔ)_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、2024年3月19日7時(shí)26分,第一章 聲學(xué)基礎(chǔ),,北京聯(lián)合大學(xué) 音響工程技術(shù)課程組,2024年3月19日7時(shí)26分,第一節(jié) 聲波,一、聲波的產(chǎn)生與傳播二、頻率、聲速和波長(zhǎng)三、頻程四、聲波的特性,2024年3月19日7時(shí)26分,一、聲波的產(chǎn)生與傳播,,,聲波的產(chǎn)生,2024年3月19日7時(shí)26分,一、聲波的產(chǎn)生與傳播,點(diǎn)聲源的傳播,2024年3月19日7時(shí)26分,聲音的傳遞,2024年3月19日7時(shí)26分,二、頻率、聲

2、速和波長(zhǎng),振動(dòng)體每秒振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率,用符號(hào)f表示,頻率的單位是赫茲(Hz),簡(jiǎn)稱赫。聲波在傳聲介質(zhì)中,每秒鐘傳播的距離稱為聲波的傳播速度,簡(jiǎn)稱聲速,用符號(hào)c表示,單位是米/秒(m/s)物體或空氣分子每完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)或疏密相間的運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過(guò)的距離稱為波長(zhǎng),用符號(hào)λ表示,單位是米,2024年3月19日7時(shí)26分,頻率、波長(zhǎng)和音調(diào)對(duì)照表,2024年3月19日7時(shí)26分,三、頻程,在聲學(xué)測(cè)量中,不可能測(cè)量這個(gè)范圍中的每一個(gè)頻率,而總是在

3、某一頻率區(qū)間取特定值進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)頻率區(qū)間稱為頻帶。頻帶由上限頻率f2和下限頻率f1確定,f1、f2又稱為截止頻率。f1、f2的間隔可以用頻率比或以2為底的對(duì)數(shù)表示,稱為頻程。,2024年3月19日7時(shí)26分,上限和下限截止頻率的一般關(guān)系,式中:n為倍頻程的系數(shù),或稱倍頻程數(shù),它可以是分?jǐn)?shù)或整數(shù)。例如:n=1/3即指1/3倍頻程;n=1即指倍頻程。,,2024年3月19日7時(shí)26分,中心頻率,頻帶的中心頻率fc是上、下截止頻率的幾何平

4、均,即,,2024年3月19日7時(shí)26分,1/3倍頻程和1/1倍頻程的中心頻率和帶寬,2024年3月19日7時(shí)26分,1/3倍頻程和1/1倍頻程的中心頻率和帶寬,2024年3月19日7時(shí)26分,四、聲波的特性,,聲波在室內(nèi)的反射、吸收、透射和繞射現(xiàn)象,2024年3月19日7時(shí)26分,波的性質(zhì),判別的關(guān)鍵在于障礙物的尺寸l與波長(zhǎng)λ的比值。當(dāng)lλ時(shí),粒子性為主;當(dāng)l≈λ時(shí),兩種性質(zhì)在一定情況下都會(huì)表現(xiàn)出來(lái),此時(shí)情況比較復(fù)雜,2024年

5、3月19日7時(shí)26分,聲波的衍射,,,(a) 聲波的繞射 (b) 小障板對(duì)聲傳播的影響,2024年3月19日7時(shí)26分,聲波的反射,,2024年3月19日7時(shí)26分,聲波的透射與吸收,根據(jù)能量守恒定律,設(shè)單位時(shí)間內(nèi)入射到物體上的總聲能為Eo,反射的聲能為Er,物體吸收的聲能為Ea,透過(guò)物體的聲能為Et,則: Eo=Er+Ea+Et,,2024年3月19日7時(shí)26分,吸聲系數(shù),從入射波與反射波

6、所在的空間考慮,定義材料的吸聲系數(shù)α為,,吸聲系數(shù)α的值越大,吸聲性能越好,2024年3月19日7時(shí)26分,房間的平均吸聲系數(shù),,2024年3月19日7時(shí)26分,聲波的干涉,若兩個(gè)頻率相同、振幅相等、相位差為零或恒定的波在同一介質(zhì)中傳播,則在空間某些地方振幅最大,在某些地方振幅最小,這種現(xiàn)象稱為波干涉現(xiàn)象,這兩個(gè)波叫相干波。當(dāng)振動(dòng)頻率、振幅和傳播速度相同而傳播方向相反的兩列波疊加時(shí),就產(chǎn)生駐波,2024年3月19日7時(shí)26分,聲源的

7、指向性,人說(shuō)話時(shí)的指向性圖案,聲源的指向性,2024年3月19日7時(shí)26分,聲源的指向性,2024年3月19日7時(shí)26分,指向性的影響,2024年3月19日7時(shí)26分,第二節(jié) 聲波的度量,聲壓、聲強(qiáng)、聲功率聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)聲級(jí)的疊加,2024年3月19日7時(shí)26分,一、聲壓、聲強(qiáng)、聲功率,由聲波引起的壓強(qiáng)變化稱為聲壓,用符號(hào)P表示,單位為微巴(μbar)或帕(Pa)聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能量叫做聲功率,用符號(hào)W表示

8、,單位為瓦(w)聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲強(qiáng),是指在單位時(shí)間內(nèi)(每秒鐘),聲波通過(guò)垂直于聲波傳播方向單位面積的聲能量,用符號(hào)I表示,單位為瓦/米2(w /m2),2024年3月19日7時(shí)26分,平方反比定律,在無(wú)反射聲波的自由聲場(chǎng)中,點(diǎn)聲源發(fā)出的球面波,均勻向四周輻射聲能,因此,距離聲場(chǎng)中心為r的球面上的聲強(qiáng)為,,2024年3月19日7時(shí)26分,二、聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí),人的聽(tīng)覺(jué)與聲壓、聲強(qiáng)不是呈正比例關(guān)系,而是近似的與它們的對(duì)數(shù)值成正比用

9、聲壓或聲強(qiáng)來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱,數(shù)字太長(zhǎng),很不方便常采用按對(duì)數(shù)方式分級(jí)的辦法作為表示聲音大小的常用單位,這就是聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí),2024年3月19日7時(shí)26分,級(jí),級(jí):對(duì)數(shù)概念,無(wú)量綱單位,為表示方便,以dB為單位系數(shù):用于擴(kuò)大計(jì)算值的表示范圍,對(duì)于力、長(zhǎng)度單位,取值為20 ,對(duì)于能量概念,取值為10 公式計(jì)算值會(huì)因參考值的變化而變化,2024年3月19日7時(shí)26分,聲壓級(jí)(Lp或SPL),(dB),式中,參考聲壓Pref

10、=2×10-4(μbar)=2×10-5(Pa),為1kHz時(shí)的聞閾聲壓值,2024年3月19日7時(shí)26分,聲強(qiáng)級(jí)(LI或SIL),,式中,參考聲強(qiáng)Iref=10-12(w /m2)為1kHz時(shí)的聞閾聲強(qiáng)值,2024年3月19日7時(shí)26分,聲強(qiáng)級(jí)與聲壓級(jí)關(guān)系,由于聲強(qiáng)與聲壓存在著關(guān)系I=p2/ρc,將其代入式中得,,2024年3月19日7時(shí)26分,聲功率級(jí)(Lw或SWL),,式中,參考功率Wref=10-12(w)為

11、1kHz時(shí)的聞閾聲功率值,2024年3月19日7時(shí)26分,三、聲級(jí)的疊加,在工程設(shè)計(jì)和檢測(cè)中,經(jīng)常需要進(jìn)行聲級(jí)的疊加或分解,如計(jì)算多個(gè)聲源的總聲級(jí)、給定的倍頻程或1/3倍頻程聲級(jí)的總聲級(jí)等,2024年3月19日7時(shí)26分,聲壓的疊加,當(dāng)幾個(gè)不同聲源同時(shí)作用時(shí),在某處形成的總聲強(qiáng)是各個(gè)聲強(qiáng)的代數(shù)和,即I=I1+I2+……+In,而總聲壓(有效聲壓)是各聲壓的均方根值。即,,2024年3月19日7時(shí)26分,聲級(jí)的疊加,聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率

12、級(jí)疊加時(shí),不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行算術(shù)相加,應(yīng)按對(duì)數(shù)運(yùn)算法則進(jìn)行計(jì)算,2024年3月19日7時(shí)26分,n個(gè)聲壓相等的聲音疊加,,若n=2,則,,2024年3月19日7時(shí)26分,兩個(gè)不等的聲壓級(jí)LP1和LP2(設(shè)LP1≥LP2)疊加,(dB),2024年3月19日7時(shí)26分,利用圖表計(jì)算聲壓級(jí)疊加,設(shè)有兩個(gè)聲源,聲壓級(jí)分別為L(zhǎng)P1、LP2,且LP2>LP1,兩個(gè)聲壓級(jí)之差D=LP2-LP1(dB),則疊加后的總聲壓級(jí)為,,(dB),式中,N值可由下

13、圖或右表查得,,注:表中“—”表示同左,2024年3月19日7時(shí)26分,,2024年3月19日7時(shí)26分,聲級(jí)的分解,已知兩個(gè)聲源在某點(diǎn)產(chǎn)生的總聲壓級(jí)Lp,若其中一個(gè)聲源在該點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓級(jí)為L(zhǎng)P1,則另一聲源在該點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓級(jí)LP2=LP-ΔL,其中ΔL可由表查出。這種方法常用來(lái)從總聲級(jí)中除去環(huán)境噪聲等,2024年3月19日7時(shí)26分,第三節(jié) 聽(tīng)覺(jué)的主觀感受,一、響度二、音調(diào)三、音色,2024年3月19日7時(shí)26分,一、響度,響度

14、是人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的主觀感受,用符號(hào)S表示,2024年3月19日7時(shí)26分,等響度曲線,,,2024年3月19日7時(shí)26分,說(shuō)明,(1)響度級(jí)與聲壓級(jí)有關(guān)。(2)等響度曲線在聲壓級(jí)的值低時(shí)變化快,斜率大,而在高聲壓級(jí)時(shí)就比較平坦,這種情況在低頻時(shí)尤為明顯。(3)不同的頻率,響度級(jí)的增長(zhǎng)率各不相同,2024年3月19日7時(shí)26分,聲壓級(jí)與響度感覺(jué),2024年3月19日7時(shí)26分,計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò),,,2024年3月19日7時(shí)26分,人耳的聽(tīng)覺(jué)范

15、圍,,,2024年3月19日7時(shí)26分,強(qiáng)度差閾最小可辨別的聲壓級(jí)差,當(dāng)頻率約為1000Hz而聲壓級(jí)超過(guò)40dB時(shí),人耳能覺(jué)察到的頻率變化范圍約為0.3%;聲壓級(jí)相同,但頻率少于1000Hz時(shí),人耳能覺(jué)察到3Hz的變化,2024年3月19日7時(shí)26分,二、音調(diào),人耳對(duì)聲音高低的感覺(jué)稱為音調(diào),音調(diào)與聲音的頻率、持續(xù)時(shí)間、聲壓級(jí)及溫度有關(guān),2024年3月19日7時(shí)26分,三、音色,音色主要決定于聲音的頻譜結(jié)構(gòu)樂(lè)器的音色主要取決于樂(lè)器本身

16、的特性和質(zhì)量,同時(shí)還與演奏的方式、聽(tīng)音方位、演奏技巧有關(guān)一般來(lái)說(shuō),泛音多,且低次泛音的強(qiáng)度較大,音樂(lè)就優(yōu)美動(dòng)聽(tīng),音色就豐富,2024年3月19日7時(shí)26分,第四節(jié) 人耳的聽(tīng)覺(jué)特性,一、掩蔽效應(yīng)二、雙耳效應(yīng)(方位感)三、哈斯效應(yīng),2024年3月19日7時(shí)26分,一、掩蔽效應(yīng),一個(gè)聲音的聽(tīng)閾因另一聲音的存在而提高的現(xiàn)象,稱為掩蔽效應(yīng)假設(shè)聽(tīng)清聲音A的閾值為40dB,若同時(shí)又聽(tīng)見(jiàn)聲音B,這時(shí)由于B的影響使A的閾值提高到5

17、2dB,即比原來(lái)高12dB。這個(gè)例子中,B稱為掩蔽聲,A稱為被掩蔽聲。被掩蔽聲聽(tīng)閾提高的分貝數(shù)稱為掩蔽量,即12dB為掩蔽量,52dB稱為掩蔽閾,2024年3月19日7時(shí)26分,掩蔽規(guī)律,(1)被掩蔽聲的頻率越接近掩蔽聲,掩蔽量越大,頻率相近的純音掩蔽效果顯著。最大掩蔽出現(xiàn)在掩蔽頻率附近。(2)掩蔽聲的聲壓級(jí)越高,掩蔽量越大,且掩蔽的頻率范圍越寬。實(shí)驗(yàn)表明,掩蔽聲增加10dB,掩蔽閾也增加10dB。兩者呈線形關(guān)系,且這種關(guān)系不受頻率影

18、響,既適合于純音,也適合復(fù)音。(3)掩蔽聲對(duì)比其頻率低的純音掩蔽作用小,而對(duì)比其頻率高的純音掩蔽作用大。,2024年3月19日7時(shí)26分,非同時(shí)掩蔽特點(diǎn),(1)掩蔽聲在時(shí)間上越接近被掩蔽聲,掩蔽量越大,即掩蔽效應(yīng)越強(qiáng)。(2)掩蔽聲與被掩蔽聲相距時(shí)間很近時(shí),后掩蔽作用大于前掩蔽作用,即后掩蔽在實(shí)踐中更重要。(3)掩蔽聲強(qiáng)度增加時(shí),掩蔽量并不按比例增大。例如掩蔽聲增加10dB,掩蔽量只提高3dB,這與同時(shí)掩蔽效果不同。(4)單耳的掩

19、蔽效應(yīng)比雙耳顯著。,2024年3月19日7時(shí)26分,二、雙耳效應(yīng)(方位感),對(duì)一定聲壓級(jí)的純音,雙耳聽(tīng)起來(lái)比單耳聽(tīng)起來(lái)響兩倍對(duì)強(qiáng)度和頻率,雙耳的辨別力都高于單耳低頻信號(hào)的定向是以雙耳的時(shí)間差為依據(jù),高頻信號(hào)的定向,決定于兩耳間的聲級(jí)差,2024年3月19日7時(shí)26分,三、哈斯效應(yīng),當(dāng)兩個(gè)聲音到達(dá)人耳的時(shí)間差不超過(guò)20ms時(shí),人的聽(tīng)覺(jué)不會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際上存在有兩個(gè)聲源。當(dāng)兩個(gè)聲源在方位上較接近時(shí),時(shí)間差可達(dá)30ms而不被人的聽(tīng)覺(jué)所覺(jué)察。

20、當(dāng)時(shí)間差增加到35~50ms時(shí),后到達(dá)人耳的聲音將被感覺(jué)到,但此時(shí)人的聽(tīng)覺(jué)仍不能把兩個(gè)聲音分開(kāi)。當(dāng)時(shí)間差超過(guò)50ms時(shí),若后到達(dá)的聲音有足夠的聲級(jí),則會(huì)干擾先到的聲音,形成回音效果。,2024年3月19日7時(shí)26分,哈斯效應(yīng)應(yīng)用,在聽(tīng)音時(shí),達(dá)到聲像統(tǒng)一在拾音時(shí),完成聲像定位在創(chuàng)作中,模擬虛擬空間,2024年3月19日7時(shí)26分,第五節(jié) 室內(nèi)聲學(xué)基礎(chǔ),一、研究聲場(chǎng)的方法二、室內(nèi)聽(tīng)到的聲音三、室內(nèi)聲場(chǎng)的建立和衰減過(guò)程四、

21、室內(nèi)聲壓級(jí)五、混響時(shí)間六、房間共振,2024年3月19日7時(shí)26分,一、研究聲場(chǎng)的方法,1.波動(dòng)聲學(xué):用波動(dòng)觀點(diǎn)研究室內(nèi)聲學(xué)問(wèn)題的科學(xué)。2.幾何聲學(xué):用聲線觀點(diǎn)研究房間內(nèi)聲學(xué)問(wèn)題的科學(xué)。3.統(tǒng)計(jì)聲學(xué):從能量觀點(diǎn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究室內(nèi)聲學(xué)問(wèn)題的科學(xué)。,2024年3月19日7時(shí)26分,二、室內(nèi)聽(tīng)到的聲音,,,2024年3月19日7時(shí)26分,室內(nèi)接收點(diǎn)脈沖聲響應(yīng)圖,,,2024年3月19日7時(shí)26分,三、室內(nèi)聲場(chǎng)的建立和衰減過(guò)程,202

22、4年3月19日7時(shí)26分,室內(nèi)吸收不同對(duì)聲音增長(zhǎng)和衰減的影響,,a——吸收較少;b——中等吸收;c——吸收較強(qiáng),2024年3月19日7時(shí)26分,四、室內(nèi)聲壓級(jí),當(dāng)一聲源在室內(nèi)連續(xù)發(fā)聲時(shí),聲波由聲源到室內(nèi)各部位形成了復(fù)雜的聲場(chǎng),2024年3月19日7時(shí)26分,聲擴(kuò)散,當(dāng)聲場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),若室內(nèi)各部位的聲壓相同,且室內(nèi)聲波是無(wú)規(guī)則的在各個(gè)方向傳播,則可以說(shuō)這種聲場(chǎng)是均勻的,也可以稱室內(nèi)達(dá)到了聲擴(kuò)散,2024年3月19日7時(shí)26分,室內(nèi)達(dá)到擴(kuò)散

23、聲場(chǎng)的方法,把廳堂內(nèi)表面處理成不規(guī)則形體,或設(shè)置擴(kuò)散體;在墻面上交替的做聲反射和聲吸收處理;無(wú)規(guī)則的配置吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu),2024年3月19日7時(shí)26分,穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)聲壓級(jí),在室內(nèi)聲場(chǎng)充分?jǐn)U散的條件下,當(dāng)聲場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),在距該聲源r處的聲壓級(jí)為 其中:W:聲源的聲功率(w) LW:聲源的聲功率級(jí)(dB) r:接收點(diǎn)離開(kāi)聲源的距離(m) R:房間常

24、數(shù), ( ) :室內(nèi)平均吸聲系數(shù) S:室內(nèi)總表面積( ) Q:聲源指向性因數(shù),,,,,,,2024年3月19日7時(shí)26分,聲源指向性因數(shù),Q=1,Q=2,Q=4,Q=8,2024年3月19日7時(shí)26分,聲能的分布,2024年3月19日7時(shí)26分,混響半徑,當(dāng)房間常數(shù)R為一個(gè)確定的數(shù)值時(shí),有一個(gè)由直達(dá)聲場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

25、混響聲場(chǎng)的轉(zhuǎn)變點(diǎn),該點(diǎn)的直達(dá)聲聲能密度等于混響聲聲能密度。該點(diǎn)與聲源的距離稱為臨界距離rC,也稱混響半徑。 (m) 在臨界距離以內(nèi),即聽(tīng)音點(diǎn)到聲源的距離r<rC,直達(dá)聲起主要作用;在臨界距離以外,即r>rC,混響聲起主要作用。只

26、有在與聲源的距離大于rC時(shí),改變室內(nèi)吸聲量才會(huì)對(duì)聲場(chǎng)特性有明顯影響,,2024年3月19日7時(shí)26分,五、混響時(shí)間,當(dāng)室內(nèi)聲源停止發(fā)聲后,聲音衰減的過(guò)程稱為混響過(guò)程混響時(shí)間,指在達(dá)到穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)后,聲源停止發(fā)聲,從聲源停止發(fā)聲到室內(nèi)聲能密度衰減到原來(lái)的百萬(wàn)分之一(衰減60dB)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間,記作T60,2024年3月19日7時(shí)26分,不同類型廳堂的最佳混響時(shí)間(500 Hz),2024年3月19日7時(shí)26分,塞賓公式,,,式中: T

27、60:混響時(shí)間(s) K:與溫度有關(guān)的常數(shù),一般取K=0.161s/m V:閉室的容積(m3) A:房間吸聲量(m2) A是室內(nèi)總表面積S與其平均吸聲系數(shù) 的乘積,即,其中,則,其中,為室內(nèi)不同材料的表面積( ),為室內(nèi)不同材料的吸聲系數(shù),2024年3月19日7時(shí)26分,克納森公式,,,其中,4m為空氣中的吸收系數(shù),它不但與頻率有關(guān),而且與溫度、濕度有關(guān),2024年3月19日

28、7時(shí)26分,室溫為20℃時(shí),濕度與空氣吸收系數(shù)的關(guān)系,,,,2024年3月19日7時(shí)26分,六、房間共振,當(dāng)聲源發(fā)聲時(shí),聲波不可避免的會(huì)相互干擾,從而激發(fā)出房間內(nèi)的某些固有頻率的聲音,形成駐波,即出現(xiàn)了房間的共振現(xiàn)象,2024年3月19日7時(shí)26分,矩形房間中的共振,,,,方式:(2,0,0),方式:(1,1,0),方式:(2,1,0),2024年3月19日7時(shí)26分,計(jì)算房間共振頻率的普遍公式,,,2024年3月19日7時(shí)26分,克服

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