第一節(jié).聲音的屬性與計(jì)量.ppt

1、,聲音的屬性和計(jì)量,河北科技大學(xué) 于洋,本講主要內(nèi)容 一、有關(guān)聲波的幾個(gè)基本概念 二、聲場(chǎng)的基本知識(shí) 三、人耳的聽覺特性與心理聲學(xué) 四、聲壓、聲壓級(jí)與響度級(jí) 五、聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率及聲功率級(jí) 六、響度、響度級(jí)與等響度曲線 七、電平級(jí) 八、聲音信號(hào)的頻帶寬度與倍頻程 九、音響系統(tǒng)的匹配,3,一、有關(guān)聲波的幾個(gè)基本概念,1.聲音產(chǎn)生的過程,聲音是通過物體機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的，它以波動(dòng)的方式傳播，由聲波刺激人耳所引起的主觀感覺。,4,揚(yáng)聲器振膜的振動(dòng)會(huì)使周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生一定的疏密變化, 產(chǎn)生在空氣中傳播的疏密波，這種疏密波稱為“聲波”。,揚(yáng)聲器振膜的振動(dòng)會(huì)使周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生一定的疏密變化,5,聲波

2、：基音+泛音，基音是完整的一個(gè)聲波，泛音是其后無限重復(fù)的聲波 振幅：表示聲波隨時(shí)間變化的最大值，也稱為峰值。,振幅,6,頻率：一秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率，用f表示，單位赫茲（Hz）。 人耳能聽到的聲音頻率范圍為20Hz20kHz。,周期:聲波振動(dòng)一次所需的時(shí)間稱為周期，以T表示，單位為s（秒）。 頻率和周期是互為倒數(shù)的：,7,波長：聲波每振動(dòng)一次所走過的距離稱為聲波的波長，以表示，單位為米（m）。,聲速：聲波在1s（1秒）內(nèi)所傳播的距離稱為聲速，以c表示，單位為m/s（米/秒）。0時(shí)，在壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓的空氣中：c=331.5m/s。 c值幾乎不受氣壓影響，但會(huì)受溫度變化的影響。在t時(shí)，聲音的傳

3、播速度c約為： c331.50.6t(m/s)，在室溫（15時(shí)）時(shí)，c約為340m/s。,8,2.聲音的定義 聲音是客觀物體振動(dòng)，通過介質(zhì)傳播，作用人耳，產(chǎn)生的主觀感覺。 它不但是一種客觀存在的物理量，而且是人的主觀感覺。 某些動(dòng)物的聽覺比人類敏感。,3.聲源的組成 一般聲源是由三個(gè)基本部分組成； 激勵(lì)源、振動(dòng)源、共鳴源,10,4.聲音的三要素 客觀：1）振幅 2）頻率 3）頻譜 主觀 ：1）音量 2）音調(diào) 3）音色,11,二、聲場(chǎng)的基本知識(shí),1.聲場(chǎng)對(duì)聲音的影響 1）優(yōu)質(zhì)擴(kuò)音的幾個(gè)必備條件 （1）聲源及其設(shè)備 （ 2）聲場(chǎng)與環(huán)境 （3）操作人員的素質(zhì)與能力,12,2）室內(nèi)人耳聽到的聲音 包括

4、三部分： （1）直達(dá)聲 產(chǎn)生聲音的方向感、親切感 （2）反射聲 產(chǎn)生聲音的空間感和力度感 （3）混響聲 產(chǎn)生聲音的豐滿感和厚度感 聲影區(qū)：聲音達(dá)不到的地方。,13,2.室內(nèi)聲場(chǎng)的參量 1） 混響時(shí)間：室內(nèi)的聲場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，從切斷聲源開始 ，到聲壓衰減到原值的千分之一，即聲壓級(jí)降低60dB時(shí)所需要的時(shí)間。 近似公式為：,公式中V為房間體積， 為房間總吸聲量,14,2）不同功能的聲場(chǎng)要求的最佳混響時(shí)間表,15,3.混響半徑,室內(nèi)擴(kuò)聲時(shí)，距離聲源越遠(yuǎn)，直達(dá)聲聲強(qiáng)越小，周圍的混響聲強(qiáng)相對(duì)于直達(dá)聲聲強(qiáng)成比例上升，當(dāng)距離達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，混響聲聲強(qiáng)等于直達(dá)聲聲強(qiáng)，這一距離叫混響半徑。另一張說法,聲源的

5、指向性因素,房間常數(shù),近似公式為：,16,4.房間常數(shù)：房間內(nèi)對(duì)聲音的有效吸聲量，其值越大，說明房間對(duì)聲音的吸收越多，混響時(shí)間越短近似公式為：,(單位為平方米),式中：為房間的總面積， 為房間的平均吸聲系數(shù)。,消聲室：當(dāng) 近于1時(shí)，房間常數(shù)近于無限大，由于聲 音幾乎全部吸收，沒有反射，故混響時(shí)間近于零。,混響室：當(dāng) 近于0時(shí)，由于房間常數(shù)近于聲音幾乎全部反射，沒有吸收，故混響時(shí)間近于無限長。,17,（接收聲音與轉(zhuǎn)換聲音）,人耳的構(gòu)造圖,三、人耳的聽覺特性,1.生理聲學(xué),1）人耳的構(gòu)造與功能,18,2.心理聲學(xué),1）掩蔽效應(yīng) 一個(gè)聲音的聽閾因另一個(gè)聲音的存在而提高的現(xiàn)象稱為掩蔽效應(yīng)。 例如：聽清

6、楚A的聲音的閾值為40dB,若同時(shí)又聽見聲音B，由于B的影響使A的閾值提高到52dB,即比原來提高12dB才可以聽見A的聲音。 A：被掩蔽聲；B：掩蔽聲；12dB：掩蔽量；52dB：掩蔽閾。,20,2）雞尾酒會(huì)效應(yīng) 雞尾酒會(huì)效應(yīng)是指人的一種聽力選擇能力，在這種情況下，注意力集中在某一個(gè)人的談話之中而忽略背景中其他的對(duì)話或噪音。雞尾酒會(huì)效應(yīng)揭示了人類聽覺系統(tǒng)中令人驚奇的能力，使我們可以在噪聲中談話。,21,當(dāng)兩個(gè)聲源聲壓相同，而且同時(shí)到達(dá)人耳時(shí)，人們感覺聲音是從中間方向來的，中間會(huì)形成一個(gè)虛擬生源。當(dāng)其中一個(gè)聲源的聲壓逐步提高，人們感到聲源由中間位置向高聲壓級(jí)的一方移動(dòng)，當(dāng)提高聲壓級(jí)超過9dB時(shí)

7、，人們感覺聲音是從高聲壓級(jí)一方來的。如果不改變聲壓級(jí)，而使其中一個(gè)聲源延遲，如果延遲在30ms以內(nèi)，聽覺上將感到只來自未延遲的聲源，當(dāng)延遲時(shí)間超過50ms時(shí)，聽覺上感到兩個(gè)聲音，即出現(xiàn)回聲。哈斯效應(yīng)是制作環(huán)繞聲的理論基礎(chǔ)。,3）哈斯效應(yīng),人耳對(duì)于聲源方向感覺的基本特性。,2020/8/2,哈斯效應(yīng)：聲音在3-30ms，確定聲音方向，在30-50ms，同時(shí)存在，在50ms以上存在兩個(gè)聲音。 多普勒效應(yīng)：由于波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。例子：迎面而來的小火車。,聲壓：聲源振動(dòng)而產(chǎn)生的大氣壓的波動(dòng)值(壓強(qiáng)的改變量),用p表示，單位為帕（Pa）Pa1Nm

8、2,有時(shí)也可以用“巴（bar)”作單位，1Pa=10-5bar,聲壓,24,聲壓級(jí)：測(cè)量的聲壓與基準(zhǔn)聲壓的比值取常用對(duì)數(shù)再乘以20，單位是dB，它表示聲壓大小的等級(jí)。,聲壓級(jí),用公式表示聲壓級(jí),待求的聲壓級(jí)的聲壓,基準(zhǔn)聲壓，數(shù)值為210-5Pa(1kHz時(shí)的聞閾聲壓值）,聲壓（單位帕） 聲壓級(jí)（單位分貝）,剛好能聽見聲音的界限,25,計(jì)算舉例： 教室內(nèi)某點(diǎn)的聲壓為210-2Pa，這點(diǎn)的聲壓級(jí)為多少？,解：,26,正常人耳的聽覺下限為0dB，人耳的聽覺的上限是120dB，長期在85dB以上聽音就會(huì)對(duì)人耳產(chǎn)生損害，超過120dB的聲音會(huì)耳痛、難以忍受，140dB的聲音會(huì)使人失去聽覺。但是，0dB不

9、表示沒有聲音,27,4.響度與聲壓、聲壓級(jí)的關(guān)系：,響度 聲壓(帕)聲壓級(jí),低聲耳語（聽覺閾）,微風(fēng)吹樹葉（環(huán)境聲）,課堂講課（語音聲）,室內(nèi)交響樂（音樂聲）,電影院（聽覺上限）,近距離雷聲（痛覺閾）,飛機(jī)起飛（3米處） （聽力破壞）,28,單位時(shí)間內(nèi)，垂直于聲波傳播方向的單位面積所通過的聲能，稱為聲強(qiáng)，用符號(hào)I表示，單位是瓦平方米(Wm2)。,五、聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率及聲功率級(jí),在無反射的自由聲場(chǎng)中，點(diǎn)聲源發(fā)出的球面波均勻地向四周輻射聲能,距離聲場(chǎng)中心的距離,1.聲強(qiáng)( I ),29,2.聲強(qiáng)級(jí)(LI ),待求聲強(qiáng)級(jí)的聲強(qiáng),基準(zhǔn)聲強(qiáng)，數(shù)值等于10-12W/m2(1kHz時(shí)的聞閾聲強(qiáng)值）,聲強(qiáng)

10、級(jí)：測(cè)量的聲強(qiáng)I與參考聲強(qiáng)Io的比值取常用對(duì)數(shù)再乘以10，單位是dB。,30,3.聲功率（W ) 聲功率是聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能，它表示聲源發(fā)聲能力的大小，用符號(hào)W表示，單位是W（瓦）、mW(毫瓦）或W（微瓦）。,4.聲功率級(jí)(LW),測(cè)量的聲功率（W ）與基準(zhǔn)聲功率（Wo）的比值取常用對(duì)數(shù)再乘以10，單位為dB。,31,待求聲功率級(jí)的聲功率,基準(zhǔn)聲功率，數(shù)值等于10-12W(1kHz時(shí)的聞閾聲功率值）,用公式表示聲功率級(jí)(LW),32,國際上統(tǒng)一規(guī)定了下列基準(zhǔn)值：,基準(zhǔn)聲壓=210-5Pa,基準(zhǔn)聲強(qiáng)=10-12W/m2,基準(zhǔn)聲功率=10-12W,基準(zhǔn)電功率=1mW,基準(zhǔn)電壓=0.77

11、5V,基準(zhǔn)電流=1.29mA,33,聲強(qiáng)、聲壓、聲功率與聲強(qiáng)級(jí)、聲壓級(jí)、聲功率級(jí),距離音箱r米處的聲壓級(jí)用下式計(jì)算：,總聲壓級(jí),音箱靈敏度,加給音箱的電功率,聽音點(diǎn)距音箱的距離,35,實(shí)例：音箱靈敏度為86dB，加給音箱的電功率為 100W，距音箱25米處的聲壓級(jí)是多少？,解：,36,六、響度、響度級(jí)與等響度曲線,響度是指人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的主觀感覺，通常用字母S表示。單位是“宋”（sone)。,規(guī)定： 聲壓級(jí)為40dB的1000Hz標(biāo)準(zhǔn)音的主觀感覺的強(qiáng)弱為1宋。,1.響度,37,人耳判斷與1000Hz純音的1dB聲壓級(jí)等響的響度級(jí)為1方。,2.響度級(jí) 任何聲音的響度級(jí)，在數(shù)值上等于與標(biāo)準(zhǔn)音（1千

12、赫）一樣響時(shí)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)音的聲壓級(jí)值，用字母P表示。單位是“方”（phon)。,例如： 若某一聲音（純音或復(fù)音）聽起來與聲壓級(jí)為70dB的1000Hz純音同樣響，則這個(gè)聲音的響度級(jí)為70方。,38,響度（宋）與響度級(jí)（方）之間的關(guān)系：,或,39,3.等響度曲線 人耳的聽閾在各個(gè)頻率是不同的。 弗萊徹門遜得出了等響度曲線，如下圖：,40,4.等響度曲線的特點(diǎn),a.以一千赫為基準(zhǔn)，低頻范 圍和高頻響應(yīng)提升 b.最低點(diǎn)在四千赫左右, 反映人耳在此頻率范圍靈敏 度最高。 c.高聲壓級(jí)（80-90d)曲 線平坦,而低聲壓級(jí)變化較大。 d.反映了人耳的聽覺閥、痛 覺閥、聽力范圍。,41,如果100Hz、5

13、0dB的聲音與1KHz、40dB的純音響度相同，則應(yīng)按()dB確定這個(gè)聲音的響度級(jí)。 A、10 B、40 C、50 D、90,應(yīng)用舉例,42,43,如果100Hz、50dB的聲音與1KHz、40dB的純音響度相同，則應(yīng)按()dB確定這個(gè)聲音的響度級(jí)。 A、10 B、40 C、50 D、90,A,44,七、聲音信號(hào)的頻帶寬度與倍頻程,1.不同聲源的頻率范圍（如下圖所示）,用于表示聲源頻率范圍寬度 的參量，等于信號(hào)上限頻率F2與下限頻率F1之比，再取以為底的對(duì)數(shù)。,用公式表示：,2.倍頻程的概念,45,(1)聲音全帶寬的倍頻程公式為：,(2)樂音的倍頻程公式為：,(3)語音 的倍頻程公式為：,46

14、,3.倍頻程的意義 (1)表示容易 (2)計(jì)算方便 (3)與人耳的聽覺相一致,47,48,4.各種頻率均衡器的頻率特性,31段均衡器圖(每段1/3倍程),5段均衡器圖 (每段倍程),49,九、音響系統(tǒng)的匹配,1.匹配的概念：電路之間、設(shè)備之間、系統(tǒng)之間，處于最佳工作狀況下的聯(lián)接與配合.包括：阻抗、功率、電平、帶寬、連接方式等。,2.音響系統(tǒng)的組成,50,3.負(fù)載阻抗與傳輸功率的關(guān)系,(1)等效電路與等效阻抗 在電路系統(tǒng)中，從任何一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)斷開，可以分成前級(jí) 和后級(jí)兩個(gè)部分。前級(jí)等效于一個(gè)信號(hào)源V1和一個(gè)內(nèi)阻R1， 后級(jí)等效于一個(gè)負(fù)載阻抗R2。,51,(2)負(fù)載獲得最大功率的條件,52,等效負(fù)載

15、上獲得的功率由下式表示,結(jié)論： A.負(fù)載電阻與內(nèi)阻相等時(shí)可以獲得最大輸出功率。 B.適當(dāng)提高負(fù)載電阻可以提高傳輸效率。,53,4.功放與揚(yáng)聲器的匹配,功放與揚(yáng)聲器之間是傳送音訊功率的主要環(huán)節(jié)，所以，二者之間的阻抗匹配和功率的匹配是整個(gè)音響系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。 (1)幾個(gè)參數(shù)與選擇 (A)功放的額定輸出功率：在功放的輸入端加上額定信號(hào)電平時(shí)，在要求的非線性失真條件下，在其額定負(fù)載上，長時(shí)間(超過96小時(shí))穩(wěn)定工作所輸出的功率。 (B)揚(yáng)聲器的額定輸入功率：在非線性失真不超過要求范圍條件下，揚(yáng)聲器保持長時(shí)間(大于96小時(shí))穩(wěn)定工作而不損壞條件下，功放實(shí)際輸入揚(yáng)聲器的功率。,54,(2)功放與揚(yáng)聲器

16、的功率匹配選擇,A.功放額定輸出功率為揚(yáng)聲器總額定輸入功率的1.5-2倍。用在專業(yè)音響系統(tǒng)中，有一定的功率余量，音樂有力度感，但是對(duì)專業(yè)操作人員素質(zhì)要求較高，電路工作效率低。 B.功放額定輸出功率約為揚(yáng)聲器總額定輸入功率的l/2左 右。用于家庭音響系統(tǒng)中。工作安全，非專業(yè)人員可以操作。但音樂力度不足，動(dòng)態(tài)范圍小。 C.功放額定輸出功率等于或略大于(l0以內(nèi))揚(yáng)聲器總額定輸入功率。工作安全穩(wěn)定，信號(hào)質(zhì)量高，通常推薦采用這種功率匹配方式。,55,(3)功放與揚(yáng)聲器之間的阻抗匹配選擇,定阻抗輸出功放與揚(yáng)聲器之間的匹配揚(yáng)聲器從功放獲得的實(shí)際功率不但與兩者的額定功率有關(guān)，而且與兩者的阻抗、電壓也有關(guān)。,

17、功放實(shí)際輸出的功率由下式?jīng)Q定：,式中：Pw1：功放實(shí)際輸出的功率 v1：功放的輸出電壓 Z1：功放的額定負(fù)載阻抗,即,56,揚(yáng)聲器實(shí)際獲得的功率由下式?jīng)Q定： 即： 式中:Pw2 ：揚(yáng)聲器實(shí)際獲得的功率 v2 ： 揚(yáng)聲器實(shí)際獲得的電壓 Z2： 揚(yáng)聲器的輸入阻抗 當(dāng)把揚(yáng)聲器與功放連接以后，則V1與V2相等，所以下式成立： 由上式可以看出，當(dāng)揚(yáng)聲器的輸入阻抗Z2與功放的額定負(fù)載Z1相等時(shí)，則有揚(yáng)聲器實(shí)際的輸入功率與功放的輸出功率相等：當(dāng)揚(yáng)聲器的輸入阻抗Z2與功放額定負(fù)載阻抗Z1不相等時(shí)，則滿足：兩者阻抗之比等于兩者功率之反比。,或,57,舉 例,當(dāng)把額定功率為200W，額定輸入阻抗為8的揚(yáng)聲器接到額

18、定輸出功率為200W，額定負(fù)載為8的功放輸出端 時(shí)，按公式可得揚(yáng)聲器實(shí)際獲得的功率也是200W； 如果把這只揚(yáng)聲器接到一個(gè)額定輸出功率為200W，額定負(fù)載為4的功放輸出端時(shí)，按公式可得:,58,由于揚(yáng)聲器輸入的實(shí)際總功率不得超過功放輸出的額定功率，所以，任何時(shí)候揚(yáng)聲器的實(shí)際總阻抗不得低于功放的額定負(fù)載阻抗。為了把揚(yáng)聲器輸入阻抗提高，可以選用線間變壓器。,注 意,59,(4)揚(yáng)聲器的串聯(lián)阻抗與并聯(lián)阻抗,A.揚(yáng)聲器的串聯(lián),串聯(lián)后的總阻抗ZW等于各個(gè) 揚(yáng)聲器阻抗Z1、Z2、Z3之和。,即為：Zw=Z1十Z2十Z3,當(dāng)相同型號(hào)的N只揚(yáng)聲器相串聯(lián)時(shí)，總阻抗等于單只揚(yáng)聲器的N倍。 當(dāng)不同型號(hào)的揚(yáng)聲器相串聯(lián)時(shí)，必須滿足各揚(yáng)聲器的額定電流應(yīng)相等。,60,（姆歐）,（姆歐）,例如：有三只揚(yáng)聲器，額定輸入阻抗分別為4、8、16，則并聯(lián)之后的總