電聲學(xué)-音響技術(shù)

1、第1章 電聲學(xué)基礎(chǔ),1.1 聲音的基本性質(zhì) 1.1.1 聲音的產(chǎn)生與傳播 聲音產(chǎn)生于物體的振動(dòng)。能夠發(fā)出聲音的物體稱為聲源。聲源發(fā)聲后，還要經(jīng)過一定的媒質(zhì)才能向外傳播。 空氣一疏一密地振動(dòng)傳播的波叫做聲波。如圖1-1所示。聲波以一定速度向四面八方傳播，當(dāng)聲波傳到人耳中時(shí)，會(huì)引起人耳鼓膜發(fā)生相應(yīng)的振動(dòng)，這種振動(dòng)通過聽覺神經(jīng)，使人產(chǎn)生聲音的感覺。,圖1-1 聲波的傳播,聽到聲音的三個(gè)基本條件,（1）存在發(fā)聲體或聲源。 （2）要有傳播過程中的彈性媒質(zhì)，例如空氣，或者液體、固體的彈性媒質(zhì)；真空中沒有彈性媒質(zhì)，所以真空不能傳送聲波。 （3）要通過人耳的聽覺才能產(chǎn)生聲音的感覺。,1.1.2 頻率、波長與聲

2、速,1.聲源完成一次振動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間稱為周期，記作T，單位為秒(s)。1s內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率，記作f，單位為赫茲(Hz)，它是周期的倒數(shù)，即f=1/T。 2.聲波在媒質(zhì)中每秒鐘傳播的距離，叫做聲波傳播速度，簡(jiǎn)稱聲速。記作C，單位為米秒(ms)。聲速不是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度而是振動(dòng)狀態(tài)的傳播速度，它的大小與振動(dòng)的特性無關(guān)，而與媒質(zhì)的彈性、密度和溫度有關(guān)。 3.聲源完成一周的振動(dòng)，聲波所傳播的距離，或者說聲波在傳播途徑上相位相同的兩相鄰質(zhì)點(diǎn)之間的距離叫做聲波的波長，記作，單位為米(m)。因此，聲速、頻率和波長三者有如下的關(guān)系：C=f 或 C=/T,1.1.3 聲波的反射與繞射 （1）聲波的反射,當(dāng)聲波

3、在傳播過程中遇到一塊尺寸比波長大得多的墻面或障礙物時(shí)，聲波將被反射。如聲波發(fā)出的是球面波，經(jīng)反射后仍是球面波。如圖1-2a所示。如同幾何光學(xué)反射定律一樣，聲波反射的反射角等于入射角。,當(dāng)反射面為曲面時(shí)，如圖1-2b、c所示仍可利用聲波反射定律求聲波在曲面上的反射聲線。例如，欲求曲面上某點(diǎn)的反射線，則以過該點(diǎn)的曲面的切面作為鏡面，使其入射角等于反射角，即可確定反射聲線。由圖c可見，凸曲面對(duì)入射聲波有明顯的散射作用，它有助于聲場(chǎng)的擴(kuò)散均勻；而圖b利用凹曲面反射的特點(diǎn)使聲音匯聚于某一區(qū)域或出現(xiàn)聲焦點(diǎn)，從而造成聲場(chǎng)分布的不均勻。,圖1-2 聲波的反射,（2）聲波的繞射(衍射),當(dāng)障礙物或孔洞的尺寸比聲

4、波波長小時(shí)，聲波將產(chǎn)生繞射(又稱衍射)或彎曲，即聲波將繞過障礙物或通過孔洞改變前進(jìn)方向，如圖1-3a所示。若孔洞尺寸(直徑d)比聲波波長小得多(d)，聲波通過孔洞則不像光線那樣直線傳播，而是能夠繞到障板的背面改變?cè)瓉淼膫鞑シ较颉＿@時(shí)小孔處的質(zhì)點(diǎn)可近似看作一個(gè)新聲源，產(chǎn)生新的球面波，而與原來的波形無關(guān)。平時(shí)我們?cè)趬Φ囊粋?cè)能聽到另一側(cè)的聲音，也是聲波繞射的結(jié)果。聲源的頻率越低，繞射的現(xiàn)象越明顯；相反，頻率越高，越不易產(chǎn)生繞射，因而傳播也具有較強(qiáng)的方向性。,圖1-3 聲波的繞射,（3）聲波的折射 聲波在傳播途中遇到不同介質(zhì)的分界面時(shí)，除了發(fā)生反射外，還會(huì)發(fā)生折射。聲波折射的傳播方向?qū)⒏淖?，如圖1-4

5、所示。,（4）聲波的透射與吸收,當(dāng)聲波入射到墻壁等物體時(shí)，如圖1-6所示，聲能一部分被反射，一部分透過物體，還有一部分由于物體的振動(dòng)或聲音在物體內(nèi)部傳播時(shí)介質(zhì)的摩擦或熱傳導(dǎo)而被損耗，這通常稱為材料的吸收。 透射聲能與入射聲能之比稱為透射系數(shù)；反射聲能與入射聲能之比稱為反射系數(shù)。通常將值小的材料稱為隔聲材料，將r值小的材料稱為吸聲材料。,圖1-6 聲波的透射與吸收,1.2 聲音大小的量度,1.2.1聲壓、聲強(qiáng)和聲功率 1.聲壓 聲波是由于空氣分子的振動(dòng)形成疏密波而傳播的。若空氣中沒有聲波，空氣中的壓強(qiáng)即為大氣壓。當(dāng)聲波傳播時(shí)，某處的空氣時(shí)疏時(shí)密地變化，使壓強(qiáng)在原來大氣壓附近上下變化，相當(dāng)于在原來

6、大氣壓強(qiáng)上疊加了一個(gè)變化的壓強(qiáng)，這個(gè)疊加上去的壓強(qiáng)就叫做聲壓，記作P0，聲壓采用帕(Pa)為單位，1Pa=10bar。,2.聲功率 聲功率不應(yīng)與聲源的其他功率相混淆。例如，電聲系統(tǒng)中所用的放大器的電功率通常為幾十瓦，但揚(yáng)聲器的效率一般只有千分之幾，它輻射的聲功率只有百分之幾瓦。電功率是聲源的輸入功率，而聲功率則是聲源的輸出功率。 聲功率與聲壓的區(qū)別在于，一個(gè)是能量關(guān)系，一個(gè)是壓力關(guān)系。聲功率與聲壓一樣，其范圍很寬。如輕聲耳語的聲功率只有10-9W，一般人講話的聲功率也不過約20W，而噴氣式飛機(jī)的聲功率則大于10 000W，相差甚大。,3.聲強(qiáng) 聲強(qiáng)也是衡量聲波在傳播過程中聲音強(qiáng)弱的物理量。聲場(chǎng)

7、中某點(diǎn)的聲強(qiáng)，是指在單位時(shí)間內(nèi)(每秒鐘)，聲波通過垂直于聲波傳播方向單位面積的聲能量，記作I，單位為瓦米2(Wm2)。若聲能通過的面積為S，則為 I=W/S(W/m2),1.2.2 聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí) 采用一種按對(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)、聲功率級(jí)。 1.聲壓級(jí) 所謂某點(diǎn)的聲壓級(jí)是指該點(diǎn)的聲壓P與參考聲聲壓P0的比值取常用對(duì)數(shù)再乘以20，單位為分貝(dB)，即 Lp=20lgP/P0 (dB) 式中參考聲壓P0=210-5pa。 于是從人耳聽閾210-5Pa到痛閾210Pa這樣聲壓相差百萬倍的變化范圍，用聲壓級(jí)表示時(shí)，就變成0dB到120dB的變化

8、范圍。從上式還可看出，聲壓變化10倍，相當(dāng)于聲壓級(jí)變化20dB；聲壓變化100倍，相當(dāng)于聲壓級(jí)變化40dB，等等,聲壓與聲壓級(jí)的關(guān)系如圖1-7所示。,圖1-7 聲壓與聲壓級(jí)的關(guān)系,2.聲強(qiáng)級(jí) 由于聲強(qiáng)和聲功率與聲壓的平方成正比，所以聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)在取對(duì)數(shù)時(shí)應(yīng)乘以10。 所謂某點(diǎn)的聲強(qiáng)級(jí)，是指該點(diǎn)的聲強(qiáng)I與參考聲強(qiáng)I0的比值取常用對(duì)數(shù)再乘以10，也用分貝(dB)表示，即聲強(qiáng)級(jí)為 LI=10lgI/I0 (dB) 式中參考聲強(qiáng)I0 =10-12Wm2。 3.聲功率級(jí) 聲功率級(jí)是指所討論的聲功率W與參考聲功率W0的比值取常用對(duì)數(shù)乘以10，也用分貝(dB)表示，即聲功率級(jí)為 LW=10lgW/W0

9、(dB) 式中參考聲功率W0=10-12W。,1.3 人耳聽覺特性 1.3.1 聲音三要素 聽覺是人們對(duì)聲音的主觀反應(yīng)。人們對(duì)聲音通常用所謂聲音三要素來描述。這三要素就是聲音的響度、音調(diào)和音色。由于這聲音三要素是人們的主觀感覺，所以它不但與聲音的振幅、頻率、頻譜等客觀物理量有關(guān)，還與入耳的聽覺特性及心理因素有關(guān)。,1響度 人耳對(duì)聲音響度的感覺不僅與聲強(qiáng)大小有關(guān)，還與聲音的頻率有關(guān)。聲強(qiáng)級(jí)相同而頻率不同的聲音，聽起來響度不同。亦即人耳對(duì)不同頻率的聲音有不同的靈敏度。圖1-8所示的等響度曲線就反映了人耳主觀感覺到的響度與實(shí)際聲強(qiáng)以及頻率三者之間的關(guān)系。 響度的單位是“方”(phon)，它是以100

10、0Hz純音所造成的聲強(qiáng)為基準(zhǔn)，任何聲音的響度級(jí)等于與此聲音一樣響的1000Hz聲音的聲強(qiáng)級(jí)，因此1000Hz聲音信號(hào)的響度等于它的聲強(qiáng)分貝值(dB)。同一條等響度曲線(即響度級(jí)相同)上不同頻率的聲強(qiáng)雖不相同，但引起的主觀響度感覺是相同的。例如，由圖1-8所示等響度曲線可知，30dB、1000Hz的純音與40dB、300Hz的純音聽起來一樣響，它們的響度都是30phon。,圖1-8 等響度曲線,2音調(diào) 人耳對(duì)聲音高低的感覺稱為音調(diào)。音調(diào)主要與聲音的頻率有關(guān)，但不與頻率成正比，而與響度一樣，音調(diào)的感覺也成對(duì)數(shù)關(guān)系，因此通常用頻率的倍數(shù)或?qū)?shù)關(guān)系來表示音調(diào)。頻率越高，人耳感覺的音調(diào)越高。在音樂上相應(yīng)的是音高。頻率增加一倍，即增加一個(gè)倍頻程，音樂上叫做提高了一個(gè)八度。但是，音調(diào)變化給人的感覺與音樂的倍頻程關(guān)系并不一致，而且在不同頻段，人耳對(duì)音調(diào)的辨別能力不同，一般在中頻段最靈敏，高低頻段較差。 聲音的持續(xù)時(shí)間長短對(duì)音調(diào)也會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)1000Hz純音的持續(xù)時(shí)間在005s以下時(shí)，會(huì)感到音調(diào)不斷下降，甚至聽不到純音而呈喀嚦聲的感覺。人耳能明確感到聲音的音調(diào)所需的聲音持續(xù)時(shí)間，隨頻率和聲壓級(jí)而變化。對(duì)于低頻聲需要比高頻聲有更長的持續(xù)時(shí)間。,3音色 人耳不但對(duì)響度、音調(diào)有較強(qiáng)的辨別能力，而且還能判斷聲音的音色。音色主要由聲音的波形或它的頻譜結(jié)