電聲學(xué)基礎(chǔ)知識分析解析

1、電聲學(xué)基礎(chǔ)知識1 聲波的概念所謂聲波，實質(zhì)上就是振動在介質(zhì)（如空氣、水等）中的傳播。我們研究在一根無限長均勻管的一端，安裝一個平面活塞，此活塞在一個周期力的作用下來回運動的情況。（圖1-1）當(dāng)活塞來回運動時，將帶動管中緊貼活塞的空氣層質(zhì)點產(chǎn)生運動。當(dāng)活塞向右運動時，使空氣層質(zhì)點產(chǎn)生壓縮，空氣層的密度增加，壓強(qiáng)增大，使空氣層處于 稠密”狀態(tài)；活塞向 左運動時，則空氣層質(zhì)點膨脹，空氣層的密度將減小，壓強(qiáng)亦將減小，使空氣層處于 稀疏 狀態(tài)?；钊粩嗟貋砘剡\動， 將使空氣層交替地產(chǎn)生疏密的變化。 由于空氣分子之間的相互作用，這種交替的疏密狀態(tài)，將由近及遠(yuǎn)地沿管子向右傳播。這種疏密狀態(tài)的傳播，就形成了聲

2、波。2 描述聲波的物理量一、聲壓大氣靜止時的壓強(qiáng)即為大氣壓強(qiáng)。當(dāng)有聲波存在時，局部空氣產(chǎn)生稠密或稀疏。在稠密的地方，壓強(qiáng)將增加，在稀疏的地方壓強(qiáng)將減??；這樣，就在原有的大氣壓上又附加了一個壓強(qiáng)的起伏。這個壓強(qiáng)的起伏是由于聲波的作用而引起的，所以稱它為聲壓；用表示。聲壓的大小與物體（如前述的活塞）的振動狀態(tài)有關(guān)；物體振動的振幅愈大、則壓強(qiáng)的起伏也愈大，聲壓也就愈大。然而，聲壓與大氣壓強(qiáng)相比，是及其微弱的。存在聲壓的空間，稱為聲場。聲場中某一瞬時的聲壓值，稱為瞬時聲壓。在一定的時間間隔中最大的瞬時聲壓值，稱為峰值聲壓。如果，聲壓隨時間的變化是按簡諧規(guī)律的，則峰值聲壓就是聲壓的振幅。瞬時聲壓對時間取

3、方均根值，即1稱為聲壓的有效值或有效聲壓。T為取平均的時間間隔。 它可以是一個周期或比周期大得多的時間間隔。一般我們用電子儀器所測得的聲壓值，就是聲壓的有效值；而人們習(xí)慣上所指的聲壓值，也是聲壓的有效值。聲壓的大小，表示了聲波的強(qiáng)弱。目前國際上采用帕（）作為聲壓的單位。以往也用微巴作為單位，它們的換算關(guān)系為；1帕=1牛頓 /米 ²（制）1微巴=1達(dá)因/厘米²制）1微巴=0.1帕1大氣壓=（常溫下）為了對聲壓的大小數(shù)值，有一個感性的了解，在表一中列出了幾種聲源所發(fā)出的聲音的聲壓的大小。表一聲源名稱 聲壓（）聲壓級（d B） 正常人耳能聽到的最弱聲音0郊區(qū)靜夜 20耳語 4 0

4、相隔1米處講話60高聲講話 0.280織布車間 2100柴油機(jī) 20120噴氣機(jī)起飛 200140導(dǎo)彈發(fā)射 2000160核爆炸 20000180其聲壓的大小是十分懸殊的，大小之間由表1可知，自然界可能出現(xiàn)的各種聲源中, 可以相差上億倍。、頻率聲源（如上述的活塞）每秒振動的次數(shù)稱為聲波的頻率，并用字母f表示，其單位為赫茲（H z） 1 /秒。雖然在自然界中能產(chǎn)生單頻率的聲源很少，大多數(shù)聲源的振動是一個很復(fù) 雜的過程，產(chǎn)生的大多為復(fù)合音。但是， 我們可以用頻譜分析的方法，把一個復(fù)合音分解為一系列幅值不同的單頻聲的組合。因此研究單頻聲具有基礎(chǔ)性的意義，而頻率則是描述單頻聲的一個重要物理量。頻率的倒

5、數(shù)則稱為周期。單位為秒。人耳能聽得見的聲波的頻率范圍為2020000H z,稱為可聞聲或音頻聲。低于2 0 Hz的聲波，稱為次聲。雖然人耳聽不到，但可用儀器接收到，它在研究熱帶風(fēng)暴、地震及核 爆炸等方面有廣泛的應(yīng)用。高于20000H z的聲波稱為超聲，它在無損探傷、切割、診斷、水下探測等方面，均有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)頻率再提高至波長可與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的線度相比較時，就可以用聲波來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)，這樣頻率的聲波則稱為特超聲。在音響和通信中所涉及的聲波，就是人耳能感知的音頻聲。 而研究音頻聲的拾取、 重放、傳播及傳播過程中的各種物理現(xiàn)象的科學(xué)，就稱為音頻聲學(xué)。三、聲速聲波在介質(zhì)中傳播的速度稱為聲速，單位為米/秒

6、。聲速的大小，與聲波藉以傳播的介質(zhì)有關(guān)。不同的介質(zhì)聲速不同。固體介質(zhì)、液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)三者之中，固體介質(zhì)中的聲速最大，液體次之，氣體最小。即使在空氣介質(zhì)中，聲速還與空氣的壓強(qiáng)和溫度有關(guān)。在理 論上，有2式中；為聲波在空氣中的傳播速度；為空氣的比熱比，且 ；為大氣靜壓強(qiáng)，且（0C）;為空氣密度，且（0C）;因此，可算得m/ s上式表示的是溫度為0C,空氣中的聲速。如果溫度改變了，則聲速的值也就不同。對于空氣，可按下式算得不同溫度下的聲速：m / s3由上式即可算得常溫（20 C）下空氣中的聲速為m / s4這是一個值得牢記的數(shù)值，因為不少計算，需用到這個數(shù)據(jù)。四、波長聲波在傳播過程中相鄰的同相

7、位的兩點之間（如相鄰的兩稠密或兩稀疏之間）的距離稱為波長，用字母 表示，單位為米。波長 與頻率f及聲速c之間，有如下關(guān)系：c= f5在空氣中，不同頻率的聲波，具有相同的傳播速度；因此，5式的關(guān)系對于空氣中傳播的任何頻率的聲波， 都是正確的。例如在常溫常壓下，1000H z的聲波波長為0.344米; 100H z的聲波波長為 3.44米等等。五、聲強(qiáng)前已指出，聲波實質(zhì)上是振動在介質(zhì)中的傳播。聲振動包括兩個方面；一方面使介質(zhì)質(zhì)點在平衡位置附近來回振動； 另一方面又使介質(zhì)產(chǎn)生疏密的過程。前者使介質(zhì)具有振動動能，后者使介質(zhì)具有形變勢能；而此兩者的和，就是介質(zhì)所具有的聲能量。因此，聲波的傳播也可以說是聲

8、能量的傳遞。在單位時間內(nèi)，通過垂直于聲傳播方向的單位面積的平均能量，稱為聲強(qiáng)，用字母I表示，單位為瓦/米²。應(yīng)當(dāng)指出，聲強(qiáng)是一個有大小和方向的物理量，即是一個矢量，它表示著聲音傳播的方向和強(qiáng)度。對于平面波和球面波，在聲波的傳播方向上，聲強(qiáng)與聲壓的關(guān)系為；6其中；為大氣密度；且 ，（常溫常壓下）c 為聲波空氣中的傳播速度；且。=344m /s （常溫常壓下）六、聲功率聲源在單位時間內(nèi)所輻射的總的聲能量，稱為聲源輻射功率，簡稱聲功率。通常用字母W表示，單位為瓦（W）。如果一個點聲源，在自由空間輻射聲波（此情況下輻射無指向性），則在與聲源等距離的球面上，任何一點的聲強(qiáng)，都是相同的；且與聲源

9、聲功率之間，有如下關(guān)系：7式中:為聲源的聲功率為聲強(qiáng)為離聲源的距離(W )；(W/ m ²)；(m)；輸出聲功率的大小，是揚聲器的重要指標(biāo)之一，因為由它可以決定揚聲器的電聲效率。3 級和分貝前已指出，自然界可能出現(xiàn)的各種聲源中，其聲壓大小的范圍是很大的，大小之間可以相差上億倍。變化范圍這么大的聲壓，用線性標(biāo)度表示是很不方便的。特別是人耳對聲音大小的感覺并不正比于聲壓或聲強(qiáng)的大小，而近似地正比于聲壓或聲強(qiáng)的對數(shù)值?；谶@兩方面的原因，在聲學(xué)中普遍采用對數(shù)標(biāo)度來度量聲壓、聲強(qiáng)、聲功率等。因為對數(shù)的宗量是一 個無量綱的量，所以通常把一個物理量的兩個數(shù)值之比的對數(shù)，稱為這個物理量的級”那個被

10、比的量則稱為參考量。有時又覺得取對數(shù)后的數(shù)值過小，而不方便，往往再乘以10倍來定級，并以分貝”表示。下面我們就來定義聲功率、聲強(qiáng)和聲壓的級。一. 聲功率級（SWL ）聲功率級用符號 表示，其定義是：將某聲功率 與參考聲功率 的比值，取以10為底的對 的對數(shù)，再乘以20,結(jié)果以分貝表示。即數(shù)，再乘以10,所得結(jié)果以分貝表示。即（d B）其中（W）二. 聲強(qiáng)級 （SIL）聲強(qiáng)級用符號 表示，其定義是：把某聲強(qiáng) 再乘以10,結(jié)果以分貝表示。即d B其中（W/ m ²）三. 聲壓級（SPL）聲壓級用符號 表示，其定義是：把某聲壓8I與參考聲強(qiáng)I。的比值，取以10為底的對數(shù),9（有效值）與參考

11、聲壓的比值，取以10為底（d B） 10其中即以人耳剛能覺察的聲壓值作為參考值， 顯然，人耳剛能覺察的聲壓級為0d B.表一所列各種聲源所對應(yīng)的聲壓級， 如表中第三列所示。由此可見，采用對數(shù)標(biāo)度后， 表一中所列各聲源的聲壓級在 0180 d B之間。由10式可知，聲壓每增加一倍，其聲壓級增加6dB;聲壓每增加10倍，聲壓級增加20 d B.電聲學(xué)名詞及物理意義（部分）一、一般名詞術(shù)語1.1 電聲學(xué) electracoustics研究聲電相互轉(zhuǎn)換的原理和技術(shù)，以及聲信號的存儲、加工、傳遞、測量和應(yīng)用的科 學(xué)。它研究的內(nèi)容覆蓋所有的聲頻范圍，從次聲到特超聲，通常僅局限于可聞聲范圍。1.2 可聞聲

12、audible sou nda.引起聽覺的聲振動。b由聲振動引起的聽覺。1.3 音調(diào) pitch聽覺的屬性。根據(jù)它可以把聲音排成由低到高的序列。1.4 響度 loudness聽覺的屬性。根據(jù)它可以把聲音排成由輕到響的序列。1.5音品、音色 timbre是聲覺的屬性，它使聽者區(qū)別同時存在的同樣響度和音調(diào)的兩個聲音之所以不同。1.6 純音 pure sound, pure tone, simple tonea.有單一音調(diào)的聲覺。b .簡諧聲振動。1.7 噪聲 noicea.紊亂不定的或統(tǒng)計上隨機(jī)的振蕩。b 不希望的或不需要的聲音，或其他干擾。1.8 聲壓 sound pressure指由聲擾動產(chǎn)生

13、的壓強(qiáng)增量（逾壓）。1.9 參考聲壓 reference sound pressure用級來表示聲壓時所選用的基準(zhǔn)，通常選用20卩Pa1.10 級 level某一量與該量的參考量之比的對數(shù)。對數(shù)的底、參考量和級的類別必須加以說明。 注：級的類別用復(fù)合名詞來表示，如聲壓級或聲功率級；不論所選的是峰值、均方根值還是其他的量，參考量應(yīng)保持不變； 對數(shù)的底通常用與該底有關(guān)的級的單位來說明。1.11 貝爾bel是一種級的單位，其對數(shù)的底是 10，適用于功率類的量；當(dāng)對數(shù)的底是10的平方根時，也是場量的級的單位。注：例如功率類的量是聲功率和聲能量，場量是聲壓和電壓。1.12 分貝 decibel貝爾的十分

14、之一。注： 分貝是比貝爾更常用的級的單位。；1.13 聲壓級 sound pressure level聲壓與參考聲壓之比的對數(shù)，以分貝表示的聲壓級是 20乘以該比率的以10為底的對數(shù)。1.14 聲級 sound level， weighted sound pressure level在一定的時間內(nèi)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的頻率計權(quán)和時間計權(quán)得到的聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的對 數(shù)。用分貝表示的聲級為20乘以該比率的以10為底的對數(shù)。1.15 響應(yīng) response在一定條件下，器件或系統(tǒng)由激勵所引起的運動或其他輸出。所用的輸入和輸出的類 別必須表明。1.16 失真 distortion不希望的波形變化。注： 輸入

15、和輸出之間的非線性關(guān)系； 不同頻率的傳輸?shù)牟灰恢拢?相移與頻率不成比例。1.17 共振 resonance系統(tǒng)受迫振動時的一種現(xiàn)象，激勵頻率的微小變化都將導(dǎo)致該系統(tǒng)的響應(yīng)減小。 注：應(yīng)說明所測響應(yīng)的量，例如，速度共振。1.18 共振頻率 resonance frequency共振時的頻率。注：在可能混淆時，則應(yīng)說明共振的類型，例如，速度共振頻率。1.19 品質(zhì)因數(shù) quality factor系統(tǒng)的共振尖銳度的度量，是在一周內(nèi)儲存的最大能量與耗散的能量之比的2n倍。注：歷史上，字母 Q是一個任意選擇的符號，以表示一個電路單元的阻抗與阻之比，后 來才引入品質(zhì)因數(shù)”這個名字。二、聲波的傳輸和吸收2

16、.1 波 wave媒質(zhì)中以一定速度傳播的擾動，量度媒質(zhì)中任何一點的量是一個時間的函數(shù)，而在任何時刻，在某一點的這個量是它的坐標(biāo)的函數(shù)。2.2 聲波 sound wave媒質(zhì)質(zhì)點的機(jī)械振動由近及遠(yuǎn)的傳播，即聲振動的傳播。2.3 聲速 speed of sound, sound velocity , velocity of sound聲音在媒質(zhì)中的傳播速度。2.4 聲場 sou nd field 媒質(zhì)中存在聲壓的空間。2.5 吸聲材料 sound absorbing material具有比較大的吸聲能力的材料。三、電聲器件及參數(shù)3.1 換能器 transducer用于接受某一類型的輸入信號（能量）

17、，并輸出（轉(zhuǎn)換）另一類型信號（能量）的器件。3.2 靈敏度 sensitivity規(guī)定輸出信號與相應(yīng)的輸入信號的比值。3.3 靈敏度級 sensitivity level換能器的靈敏度級是該換能器的靈敏度與基準(zhǔn)靈敏度之比，用分貝表示。3.4 阻抗 impendance在給定頻率，動力學(xué)的場量（如力、聲壓）與運動學(xué)的場量（如振動速度、質(zhì)點速度） 之比值，或電壓與電流之比值。注：阻抗這名詞一般用于線性系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)正弦信號。3.5 力阻抗 mechanical線性力學(xué)系統(tǒng)中某一點的力阻抗是作用在這點上的力與在力的方向上速度分量之比值。3.6 勁度、剛度 stiffness在摩擦和慣性可以忽略的系統(tǒng)中，

18、在某一點的力與該點由力引起的同相位移之比值。3.7 順性 complianee勁度的倒數(shù)。3.8 機(jī)電換能器 electromechanical transducer用于接受一個電輸入信號并提供一個力輸出信號，或反之的換能器。3.9 聲阻抗 acoustic impendance在某一表面，聲壓與通過該表面的體積速度的比值。3.10 聲質(zhì)量 acoustic mass在慣性控制的頻率點，聲壓與作正弦運動的總的同相體積速度之比值。3.11 聲勁度 acoustic stiffness在摩擦和慣性可以忽略的系統(tǒng)中，聲壓與作正弦運動的總的同相體積速度之比值。3.12 聲順 acoustic comp

19、lianee聲勁度的倒數(shù)。3.13 電聲換能器 electracoustic transducer用于接受電輸入信號并提供聲輸出信號，或反之的換能器。3.14 聲壓靈敏度 pressure sensitivity聲接收用的電聲換能器在規(guī)定頻率的聲壓靈敏度是其開路電壓與作用在該換能器上的 實際聲壓之比值。注：如負(fù)載阻抗不是開路，則應(yīng)加以說明。3.15 電功率靈敏度 sensitivity to electric power在某一頻率，聲發(fā)送用電聲換能器的電功率靈敏度是在規(guī)定方向上離有效聲中心一定距 離處的自由場方均根聲壓與輸入電功率之比值。3.16 軸向靈敏度 axial sensitivity

20、在某一規(guī)定頻率，傳聲器的軸向靈敏度是指沿著主軸并朝向有效聲中心方向傳播的平面行 波的自由場靈敏度。3.17 指向性圖案 directional pattern在規(guī)定的平面和規(guī)定的頻率，電聲換能器的靈敏度是入射或輻射聲波傳播方向的函數(shù)，常用極坐標(biāo)圖案來表示。3.18 極性 polarity極性標(biāo)志是在器件上表示該器件的輸出端信號與輸入端信號之間的極性關(guān)系。 下述情況下，電聲換能器的一端為正極：由外部聲壓增加（壓縮）引起振膜向里運動時，在該端能產(chǎn)生相對于另一端的瞬時正電壓， 則該端為正極。在該端加瞬時正電壓時，振動膜向外運動，則該端為正極。3.19 傳聲器 microphone由聲振動獲得電信號的

21、電聲換能器。3.20 標(biāo)準(zhǔn)傳聲器 standard microphone 用基準(zhǔn)校準(zhǔn)方法精確測定響應(yīng)的傳聲器。3.21 壓強(qiáng)傳聲器 pressure micropho ne主要對聲壓產(chǎn)生響應(yīng)的傳聲器。3.22 壓差傳聲器 prossure gradie nt microph one主要對聲壓的梯度產(chǎn)生響應(yīng)的傳聲器。3.23 抗噪聲傳聲器 anti no ise microph one , no ise can celli ng mic 在一定的方向或距離能抑制環(huán)境噪聲的傳聲器。3.24 電容傳聲器 conden ser microph one, capacitor mic由電容量的變化而工作的

22、傳聲器。3.25 駐極體傳聲器 electret microphone由內(nèi)部一個電容極板上的永久電荷產(chǎn)生靜電場的電容傳聲器。3.26 電話送話器telephonemicrophone用于電話裝置中的傳聲器。3.27 揚聲器 loudspeaker用于從電振蕩獲得聲波并向周圍媒質(zhì)輻射聲功率的換能器。 注：揚聲器”適用于揚聲器單元，也適用于揚聲器箱。3.28 電磁揚聲器 electromagnetic loudspeaker由磁路的磁阻變化而工作的揚聲器。3.29 電動（動圈）揚聲器 movi ng con ductor loudspeaker 在恒定磁場中，載有變化的電流的導(dǎo)線或線圈的運動而工作

23、的揚聲器。3.30 耳機(jī) earphone從電信號獲得聲振動并與人耳緊密地聲耦合的電聲換能器。3.31電話受話器 teleph on ereceiver用于電話裝置中的耳機(jī)。四、測量、儀器及設(shè)備4.1 仿真耳、耳模擬器artificial ear , ear simulator校準(zhǔn)耳機(jī)、受話器的裝置，內(nèi)有用于測量聲壓的已校準(zhǔn)的傳聲器和在一定頻帶內(nèi)總的聲 阻抗接近人耳平均聲阻抗的用于校準(zhǔn)耳機(jī)、受話器等的裝置。4.2活塞發(fā)生器 pistonphone校準(zhǔn)傳聲器用的裝置，它具有一個作往復(fù)運動的剛性活塞，運動的頻率和振幅已知,在一小的閉合腔內(nèi)產(chǎn)生一個已知的聲壓。4.3 消聲室 fre e field

24、room , an echoic room具有有效地吸收所有入射的聲音的界面的房間。它提供自由場條件。靜音室（消音室）是一種專門為有測量要求的制造車間設(shè)計的一種聲音測試的裝置，在隔聲室內(nèi)進(jìn)行吸聲的處理，使他成為一個小型的密封的無聲室。在里面就可以測試一些小型的產(chǎn)品，如一些聲音的專用設(shè)備音響等等。這樣隔聲房可以分為兩種，一種是就是由于機(jī)器本身的體積比較大，設(shè)備也比較復(fù)雜而且 如果設(shè)備出現(xiàn)了故障需要進(jìn)行手工的操作，這個時候就需要采用一個大的房間將機(jī)械罩起來，并且要 設(shè)置隔聲門、隔聲窗以及通風(fēng)管道。這類的隔聲室就是一個大的隔聲罩，知識允許人進(jìn)入期間進(jìn)行工作。另外一種隔聲間就是在噪聲比較高的地方隔出一個安靜的環(huán)境，以便于工人們在此休息。消聲室就是用來檢測設(shè)備的工作間。消聲室四面墻以及 屋頂都采用吸聲設(shè)備，底層的歌聲方式是使室內(nèi)達(dá)到低噪音的環(huán)境。音頻聲學(xué)簡介1聲波的概念hl-t所謂聲波，實質(zhì)上就是振動在介質(zhì)（如空氣、水等）中的傳播。我們研究在 一根無限長均勻管的一端，安裝一個平面活塞，此活塞在一個周期力的作用下來回運動的情況。（圖1 1）當(dāng)活塞來回運動時，將帶動管中緊貼活塞的空氣層質(zhì)點產(chǎn)生運動。 當(dāng)活塞向 右運動時，使空氣層質(zhì)點產(chǎn)生壓縮，空氣層的密度增加，壓強(qiáng)增大，使空氣層處 于稠密”狀態(tài)；活塞向左運動時，則空氣層質(zhì)點膨脹，空氣層的密度將減小