01、聲學(xué)原理

1、聲學(xué)基本知識(shí),聲音的定義,定義：聲音是粒子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，即物體振動(dòng)產(chǎn)生的聲波，通過介質(zhì)對(duì)人耳產(chǎn)生的感覺叫聲音。 人們之所以能夠聽到聲音，是由于聲波振動(dòng)引起的，并通過傳聲媒質(zhì)（如：空氣、水、混凝土等彈性物質(zhì)）傳播進(jìn)入人耳。,聲音的傳輸,物體振動(dòng)產(chǎn)生的聲音，必須由空氣或其他媒質(zhì)的傳播，才能使我們聽到。沒有空氣或其他媒質(zhì)，我們就聽不到聲音。月球上沒有空氣，所以月球是"無聲的世界"。,空氣是如何傳播聲音？,我們以敲鼓為例

2、來說明,聲音的傳播過程（自然狀態(tài)）：當(dāng)一個(gè)物體受外力作用時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)往復(fù)的彈性振動(dòng)，這樣就產(chǎn)生了聲波，經(jīng)過介質(zhì)（物體、空間或水）向四面八方傳播。當(dāng)人耳接受聲波的振動(dòng)，通過聽覺神經(jīng)傳達(dá)給大腦。,人耳 的聽覺,外耳和中耳之間一層薄膜，叫做鼓膜。平常我們看到的耳朵就是外耳，它起著收集聲波的作用。聲波由外耳進(jìn)來，使鼓膜產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)。這一振動(dòng)再由中耳里的一組耳骨傳到內(nèi)耳，刺激聽覺神經(jīng)并傳給大腦，我們就聽到了聲音。,聲音的物理特性,聲音的構(gòu)成及關(guān)

3、系主觀：響度；音調(diào)；音色（聲音的三要素）客觀：振幅（大、?。活l率（快、慢）；諧波,聲音的三要素之響度,響度： 聲音的強(qiáng)弱稱為強(qiáng)度，它由氣壓迅速變化的振幅(聲壓) 大小決定。它首先決定于聲音的振幅，其次是頻率。聲學(xué)中把描述響度、振幅、頻率之間的關(guān)系曲線叫等響度曲線。單位：分貝（dB） 但人耳對(duì)強(qiáng)度的主觀感覺與客觀的實(shí)際強(qiáng)度并不一致，聲壓計(jì)量單位為分貝(db)，它是根據(jù)1000Hz的聲音在不同強(qiáng)度下的聲壓比值

4、，取其常用對(duì)數(shù)值的 l／10而定的。 取對(duì)數(shù)值的原因是由于強(qiáng)度與響度的增加不是成正比關(guān)系，而是真數(shù)與對(duì)數(shù)的關(guān)系！例如聲音強(qiáng)度大到10倍時(shí)，聽起來才響了一級(jí)(10dB)，強(qiáng)度大到100倍時(shí)聽起來才響了兩級(jí)(20dB)。 對(duì)于1000Hz的聲音信號(hào)，人耳能感覺到的最低聲壓為2×10E－5Pa，把這一聲壓級(jí)定為0dB，當(dāng)聲壓超130dB時(shí)人耳將無法忍受，故人耳聽覺的動(dòng)態(tài)范圍為0～130dB。,純音等響曲線,聲音的

5、三要素之響度,聲音的三要素之音調(diào),音調(diào)： 具有一特定且通常是穩(wěn)定音高的信號(hào)。 通俗的講是聲音聽來調(diào)子高低的程度。 它主要取決于頻率，還與聲音強(qiáng)度有關(guān)。 聲音的音調(diào)高低與物體振動(dòng)的頻率高低有關(guān)。頻率高的聲音，叫做高音；頻率低的聲音，叫做低音。 音調(diào)隨頻率(Hz)的變化基本上呈對(duì)數(shù)關(guān)系。 不同的樂器演奏同樣頻率的音符，音色雖然不同，但它們的音調(diào)是相同的，也就是演奏聲音的基頻是相同的。 頻率

6、越高，人耳感覺的音調(diào)隨之升高，頻率增加一倍，聲學(xué)中稱之增加一個(gè)“倍頻程”，音樂上叫“提高一個(gè)八度”。音調(diào)單位：美,聲音的三要素之音調(diào),在重放聲音中，當(dāng)高音和低音分量適當(dāng)時(shí)，聽起來就會(huì)感到聲音清晰而柔和，有自然的感覺。如管弦樂中失去了低音，則感到聲音尖銳刺耳；失去了高音，則感到聲音混濁不清，有煩躁的感覺。因此，聲音的頻率范圍越寬越好。人耳所能聽到的聲音頻率范圍大約在20-20000HZ之間（這一范圍的頻率叫做聲頻或音頻）。,聲音的三要素之

7、音色,音色： 指聲音的音調(diào)和響度以外的音質(zhì)差異。它與聲音的頻譜結(jié)構(gòu)、包絡(luò)和波形有關(guān)。發(fā)音體的泛音結(jié)構(gòu)不同頻率特性曲線、種類不同造成音色結(jié)構(gòu)的不同。 對(duì)聲音音質(zhì)的感覺，也是一種聲音區(qū)別于另一種聲音的特征品質(zhì)。不同的樂器在發(fā)同一音調(diào)時(shí)，它們的色可以迎然不同。這是由于它們的基頻頻率雖相同，但諧波成分相差甚大。故音色不但取決于基頻，而且與基頻成整倍數(shù)的諧波密切有關(guān)，這就使每種樂器和每個(gè)人有不同的音色。 用各種不同的

8、樂器演奏同樣的一個(gè)樂音，雖然音調(diào)與響度都不一樣，但聽起來，它們各自的音色卻不一樣，這是由于物體振動(dòng)所形成的聲波波形不相同的緣故。這種獨(dú)特的波形就決定了某種樂器（或某人的聲音）的特色，叫做音色或音品。自然界的聲音一般都是復(fù)合聲波，而不是單一正弦波的聲音。,聲音的三要素之音色,如圖所示的復(fù)合聲波，是由它的基波、二次諧波、三次諧波（幾次諧波就是它的頻率為基波頻率的幾倍）等所構(gòu)成。各種物體所發(fā)出的每個(gè)聲音都有它特定的諧波，所以聲音的合成波形也不

9、同。即使兩個(gè)聲音的基波與諧波的頻率完全一樣，然而由于兩者的基波與諧波之間的振幅比值不同，也會(huì)使合成后的聲波波形有所不同，使聲音也不同。這樣，就造成各種聲音的獨(dú)特音色，形成自然界各種各樣聲音的區(qū)別。,聲音的客觀特性之振幅,振幅： 聲波的振動(dòng)幅度，它的大小影響人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的感 覺強(qiáng)度（即響度）單位：分貝（dB）,聲音的客觀特性之頻率,頻率： 聲波每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)。它直接影響人耳對(duì)聲音高

10、 低（音調(diào)）的感覺。單位：赫茲（Hz） 各個(gè)物體振動(dòng)有快有慢，例如細(xì)而短的琴弦振動(dòng)比較快，粗而長的琴弦振動(dòng)比較慢。例如某種物體的振動(dòng)次數(shù)為每秒100次時(shí)，它的頻率就是100HZ。,聲音的客觀特性之頻率,諧波： 諧波：指聲波的波形。包括瞬間狀態(tài)。它直接影響人們對(duì)聲音音質(zhì)差異（音色）的感覺。（如樂器不同，頻率相同聽覺則不相同。）,聲音的傳播速度,在海拔空氣壓力下，21攝氏溫度時(shí)，聲音速度為344m／s。

11、 我們常用的聲音速度是34Om／s，這個(gè)是在15攝氏度的溫度時(shí)聲音的速度。 聲音的速度會(huì)隨著空氣溫度及空氣壓力而改變的，溫度越低，空氣里的分子密度就會(huì)增高，所以聲音的速度就會(huì)下降。 而如果在高海拔的地方，因?yàn)榭諝鈮毫p少，空氣內(nèi)的分子變得稀少，聲音速度就會(huì)增加。,波長的計(jì)算,聲波振動(dòng)一周所傳播的距離叫“波長”用λ表示 聲波一秒鐘傳播的距離叫“波速”用c表示 聲波一秒鐘振動(dòng)的次數(shù)叫“頻率”用 f表示 它們

12、之間的關(guān)系：λ=c/f 音頻及波長與聲音的關(guān)系是：波長=聲音速度／頻率； λ=v／f，如果假定音速是344 m／s時(shí)，100Hz的音頻的波長就是3．44 m，1000hz(即lkHz)的波長就是34．4 cm，而一個(gè)20kHz的音頻波長為1．7cm,室內(nèi)聲音的傳播特性,直達(dá)聲反射聲混響聲,室內(nèi)聲音的傳播特性,直達(dá)聲,直達(dá)聲：是室內(nèi)任一點(diǎn)直接接收到聲源發(fā)出的聲音。 它是接收聲音的主體，又叫主達(dá)聲，不受空間界面影響，其聲強(qiáng)基本上

13、是與聽點(diǎn)到聲源間距離的平方成反比衰減。 距離每增加一倍，聲壓級(jí)衰減6dB。,室內(nèi)聲音的傳播特性,反射聲,早期反射聲：指延遲直達(dá)聲50ms以內(nèi)到達(dá)聽聲點(diǎn)的反射聲，對(duì)聲音起到增強(qiáng)作用；在大空間內(nèi)，因反射距離遠(yuǎn)，易形成回聲，產(chǎn)生空間感。,室內(nèi)聲音的傳播特性,混響聲,混響聲：聲波經(jīng)室內(nèi)界面的多次反射，遲于早期反射聲到達(dá)聽點(diǎn)的聲音，直至聲源停止發(fā)聲，但由于多次反射，聽點(diǎn)仍能聽到，故又稱余聲，影響聲音的清晰度?；祉憰r(shí)間：在一個(gè)聲場中，一個(gè)聲音

14、的聲壓級(jí)衰減60dB所需要的時(shí)間，用T60來表示。單位：秒（s）T60=0.16V/Sa (賽賓公式)V：聲場總?cè)莘e S：聲場的表面積 a：聲場的建筑裝飾材料的平均吸聲系數(shù)。例：某段音樂的聲壓級(jí)為90dB，此時(shí)中止音樂，音樂聲逐漸減弱，當(dāng)其聲壓級(jí)從90dB降至30dB時(shí)可需時(shí)1.2秒，那么，此房間的混響時(shí)間為1.2秒。,混響時(shí)間：T60,混響時(shí)間：T60,室內(nèi)聲音的傳播特性,室內(nèi)聲音的傳播特性,聲音的指向性與覆蓋范圍,高頻

15、 聲音指向性很強(qiáng) 覆蓋角度窄小、射程遠(yuǎn)、穿透力強(qiáng)中頻 有一定指向性 覆蓋面積比較容易控制低頻 指向性不明顯 向四面輻射、聲功能損失大、傳播距離近,聲音的指向性與覆蓋范圍,聲音的指向性與覆蓋范圍,聲音的共振,聲音的振動(dòng)和傳播過程中，有一種很重要的物理現(xiàn)象——共振，也叫共鳴。定義：當(dāng)策動(dòng)力變化的頻率跟物體的固有頻率相一致時(shí)，振動(dòng)的振幅就會(huì)特殊地增大到最高峰值，這種現(xiàn)象叫共振。,聲音的共振,小提琴 共鳴箱較小 共振頻

16、率高 為256-1100Hz 大提琴 共鳴箱增大 共鳴頻率低 為110-400Hz 貝斯提琴 共鳴箱最大 共振頻率更低 為80-350 Hz 薩克斯： 左右手指全按下 共振腔容積最大 共振頻率低 發(fā)低音 右手指抬起 共振腔容積縮小 共振頻率提高 發(fā)中音 雙手全抬起 共振腔體最小 共振頻

17、率最高 發(fā)高音,例一：部隊(duì)行軍步伐的振動(dòng)頻率與橋梁的固有振動(dòng)頻率相一致時(shí)，會(huì)因共振的產(chǎn)生而坍橋。例二：暖水瓶接水，聽到的聲音會(huì)由低頻逐漸變成高頻率聲音。水流擊水產(chǎn)生的聲音頻寬很寬，即有低頻、又有高頻。剛接時(shí)瓶的空間大固有振動(dòng)頻率低，水流擊水的低頻音產(chǎn)生共振，低頻加強(qiáng)，快滿時(shí)，水瓶的空間變小，共振腔變小，共振頻率提高，與水流擊水產(chǎn)生的高頻音產(chǎn)生共振，高頻加強(qiáng)，即聽到高頻音。,聲音的共振,聲音的掩蔽現(xiàn)象,當(dāng)不同頻率的聲音在同一聲場中

18、傳遞，各頻率之間會(huì)發(fā)生掩蔽現(xiàn)象。,現(xiàn)象一：聲音能量大的掩蓋聲音能量小的。,現(xiàn)象二：中頻聲音掩蓋高頻和低頻聲音。,現(xiàn)象三：高頻聲音掩蓋低頻聲音。,聲音的顱骨效應(yīng),聲音從音源傳入大腦有兩個(gè)途徑， 一是 音源→空間→ 人耳→大腦，另一途徑是 音源→人體顱骨→大腦（小實(shí)驗(yàn)：雙手堵耳，發(fā)聲，仍可聽見）通過顱骨傳導(dǎo)聲音的現(xiàn)象叫顱骨效應(yīng)?，F(xiàn)象一：聽自己的聲音，有兩個(gè)途徑，頻帶寬，音色好。現(xiàn)象二：手表、鐘擺聲音仍可通過牙齒和顱骨傳遞到人的大

19、腦神經(jīng)。,聲音的雞尾酒會(huì)效應(yīng),在嘈雜的聲場中，人可以把自己的聽力集中在某一個(gè)人的談話中，而把其他人的聲音都推到背景雜聲中，此現(xiàn)象叫“雞尾酒會(huì)效應(yīng)”。原理：人耳的選擇功能人耳通過兩耳拾取音源的距離差、時(shí)間差、頻率差就可以辨別出不同方位的聲音，以此調(diào)解聽覺神經(jīng)來選擇不同方位的聲源。,聲音的回音壁效應(yīng),在某一聲場中，視覺看不到聲源而聽覺卻能聽到聲音，這種現(xiàn)象就是聲波傳播的特殊反射作用的結(jié)果，被稱謂“回音壁效應(yīng)”。例：早些年的舞臺(tái)上方、

20、側(cè)方、后方的聲音反射板即是利用這一原理把演員的聲音集中向直達(dá)聲弱的區(qū)域進(jìn)行反射。,聲音的哈斯效應(yīng),一個(gè)聲場中的二個(gè)同頻聲源，在傳入人耳的時(shí)間差在50ms以內(nèi)時(shí)，人耳無法明顯辨別出它們的方位。那個(gè)聲源的聲音先入，那么人就感覺到聲音即由此方位傳來。這種先入為主的聽覺特性叫哈斯效應(yīng)。,現(xiàn)象一：兩側(cè)聲源A、B與人耳距離相同時(shí)，人們感覺聲音由前方來，俗稱“假立體聲”?，F(xiàn)象二：當(dāng)距離A聲源略近時(shí)，實(shí)際應(yīng)是A音大，B音小的兩個(gè)聲源，但人們往往只感覺

21、到所有聲音均由A輸出，這種錯(cuò)覺現(xiàn)象即是“哈斯效應(yīng)”?，F(xiàn)象三：將近點(diǎn)A的聲音加以延時(shí)，使它遲于B聲源進(jìn)入人耳，人們即感覺到所有聲音均由B聲源發(fā)出。,聲音的干涉現(xiàn)象,聲波在傳輸過程中具有相互干涉作用。 兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向相同且步調(diào)一致的聲源發(fā)出的聲波相互疊加時(shí)就會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。 如果它們的相位相同，兩波疊加后幅度增加聲壓加強(qiáng)；反之，它們的相位相反，兩波疊加后幅度減小聲壓減弱，如果兩波幅度一樣，將完全抵消。 由于