聲學(xué)原理

1、,,,,電 聲,基礎(chǔ)知識(shí),一、聲波的基本性質(zhì),,聲音是一種波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)聲源（機(jī)械振動(dòng)源）振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)體對(duì)周圍相鄰的媒質(zhì)產(chǎn)生擾動(dòng)，而被擾動(dòng)的媒質(zhì)又會(huì)對(duì)相鄰媒質(zhì)產(chǎn)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)的不斷傳遞就是聲波產(chǎn)生與傳播的基本機(jī)理。,聲波機(jī)理,上圖采用４位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行量化，將聲音強(qiáng)度劃分為１６個(gè)量化級(jí),存在著聲波的空間稱為聲場。,聲場定義,聲場媒質(zhì)定義,聲場中能夠傳遞擾動(dòng)的媒質(zhì)稱為聲場媒質(zhì)。,,球面聲波的基本性質(zhì)球面聲波的波動(dòng)頻率、波長及波速求解聲

2、波的聲壓、媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速及聲阻抗率,聲場與聲波,,聲能量與聲能量密度聲能組成聲能量密度平面聲波的聲能與聲能量密度聲功率與聲強(qiáng)聲功率聲強(qiáng),,聲場中的能量,我們將單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向、面積為S的截面的平均聲能量稱為平均聲能量流或平均聲功率。,聲功率定義,,通過垂直于聲波傳播方向單位面積上的平均聲功率（或平均聲能量流）稱為平均聲能量流密度或聲強(qiáng)。,聲強(qiáng)定義,,二、人耳聽覺特性,,響度音高音色可聞聲的頻域特征可聞聲

3、的時(shí)域特征人耳聽覺的非線性掩蔽效應(yīng)人耳聽覺的延時(shí)效應(yīng)與雙耳效應(yīng),人類聽感的基本特征,,聲壓級(jí)與聲強(qiáng)級(jí)聲壓級(jí)聲強(qiáng)級(jí)可聞聲的頻域范圍等響度曲線,響度,人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的主觀感覺稱為響度。,,聲學(xué)中，為了適應(yīng)人耳聽感的響度特性，方便對(duì)人耳聽覺響度的計(jì)量，采用對(duì)數(shù)來計(jì)算和劃分聲音強(qiáng)弱的等級(jí)。某點(diǎn)聲壓的有效值與零聲級(jí)的參考聲壓值之比的常用對(duì)數(shù)，定義為聲壓級(jí)Lp，用分貝（Db）來表示： Lp＝20lgP

4、rms/Pref (dB)式中：Prms－－某點(diǎn)聲壓的有效值 ，Pref－－零聲級(jí)參考聲壓規(guī)定1kHz時(shí)人耳剛能聽到的聲音，聲壓為2×10－5 Pa，作為聲壓級(jí)的0dB。,聲壓級(jí),,定義：某點(diǎn)聲強(qiáng)值與零聲級(jí)的參考聲強(qiáng)值之比的常用對(duì)數(shù)，定義為聲強(qiáng)級(jí)LI，用分貝（dB）來表示： L＝10lgI/Iref （dB）式中：I－－某點(diǎn)的聲強(qiáng)值， Iref－－零聲級(jí)的參考聲強(qiáng)值。 規(guī)

5、定 Iref ＝10－12 W/m2。,聲強(qiáng)級(jí),,20Hz—20kHz聞曲線：將人耳剛能聽到的各頻率聲音的最低聲壓級(jí)聯(lián)成一條曲線，稱作聞閾曲線。（在1kHz 時(shí)為0dB）。痛閾曲線：將人耳對(duì)響度過大以致難以忍受的各頻率聲音的聲壓級(jí)聯(lián)成一條曲線，稱作痛閾曲線。,可聞聲頻率范圍,,響度級(jí)定義：將某一頻率的聲音與1kHz的聲音比較，當(dāng)兩者響度一樣時(shí)，1kHz聲音的聲壓級(jí)（以2×10－5 Pa為0dB的相對(duì)分貝數(shù)）就是該聲音的響度

6、級(jí)。,等響度曲線,,音高定義：人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀感覺稱為音高或音調(diào)、音準(zhǔn)。人耳對(duì)聲音頻率的主觀感覺 音高＝Klg f式中：K為常數(shù)，f是音高的物理簡諧頻率。音律 12平均率響度對(duì)音高的影響,音高,,音色定義：人耳在主觀感覺上區(qū)別相同響度和音高的兩類不同聲音的主觀聽覺特性稱為音色。線狀譜 聲音諧波的產(chǎn)生機(jī)理連續(xù)譜,音色,,共振峰譜級(jí)分布 1、語聲；2、音樂,可聞聲的頻域特征,,起

7、振段 10—100毫秒穩(wěn)態(tài)段 衰減段 高音衰減快，低音衰減慢,可聞聲的時(shí)域特征,,純音的掩蔽噪聲對(duì)純音的掩蔽“雞尾酒會(huì)效應(yīng)”,人耳聽覺的非線性掩蔽效應(yīng),,人對(duì)聲源方位的定位，對(duì)聲音的立體感覺，主要是依賴于雙耳，這就是雙耳效應(yīng)。聲源到達(dá)左右耳的距離存在差異，將導(dǎo)致到達(dá)兩耳的聲音在聲級(jí)、時(shí)間、相位上存在著差異。這種微小差異被人耳的聽覺所感知，傳導(dǎo)給大腦并與存儲(chǔ)在大腦里的聽覺經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較、分析，得出聲音方位的判別，這就是雙耳效

8、應(yīng)。形成雙耳效應(yīng)的本質(zhì)因素在于聲音到達(dá)兩耳的聲音在聲級(jí)差、時(shí)間差和相位差。,人耳聽覺的延時(shí)效應(yīng)與雙耳效應(yīng),,立體聲的特點(diǎn)聽覺定位機(jī)理聲象及聲象定位,立體聲的聽覺機(jī)理,,具有聲像的臨場感具有較高的清晰度和信噪比,立體聲的特點(diǎn),,雙耳效應(yīng)聲級(jí)差時(shí)間差相位差耳殼效應(yīng),聽覺定位機(jī)理,,聲頻率1.7KHz,波長約20cm與人頭大小相當(dāng)。高頻遮蔽區(qū)遮蔽效應(yīng)（不同于掩蔽效應(yīng)）基頻、泛音（高次諧波）時(shí)間差比聲級(jí)差更多的方向性信息

9、。瞬態(tài)聲有利于方向辨別。,雙耳效應(yīng),,耳殼效應(yīng)重復(fù)聲延時(shí)量 長軸20--45μs、短軸2--20 μs。20 μs的延時(shí)量其頻率達(dá)50KHz。耳殼效應(yīng)對(duì)4KHz－－20KHz頻段的辨位能力最強(qiáng)。,耳殼效應(yīng),,聽音者聽感中所展現(xiàn)的各聲部空間位置，并由此而形成的聲畫面，稱為聲像?，F(xiàn)今的立體聲普遍采用聲源為兩聲道系統(tǒng)。這類雙聲道立體聲除了雙耳定位基理外，還有賴于雙聲源的哈斯效應(yīng)和德波埃效應(yīng)。,聲像及聲像定位,,哈斯效應(yīng) 兩個(gè)同

10、聲源的聲波若到達(dá)聽音者的時(shí)間差 Δ t在5—35ms以內(nèi)，人無法區(qū)分兩個(gè)聲源，給人以方位聽感的只是前導(dǎo)聲，滯后聲好似并不存在；若延遲時(shí)間Δ t在35—50ms是，人耳開始感知滯后聲源的存在，但聽感所辨別的方位仍是前導(dǎo)聲源；若時(shí)間差Δ t在50ms以上時(shí)，人耳便能分辨出前導(dǎo)聲與滯后聲源的方位。,聲像及聲像定位,,德.波埃效應(yīng) 1、如果兩聲級(jí)相同，聽者感到聲音是從中間來的。 2、如果逐漸加大Y1的聲級(jí)，聽音者感到聲象向Y1移

11、動(dòng)，聲級(jí)差大于15dB時(shí)，聽音者則感到聲音完全來自Y1處。聲級(jí)差15dB、時(shí)間差3ms產(chǎn)生的效果一樣現(xiàn)代調(diào)聲技術(shù)中的聲像移動(dòng)器（P.P）（全景電位器）,聲像及聲像定位,,三、聽覺特性對(duì)電聲的技術(shù)要求,,,頻率失真相位失真,頻率域要求,,瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)直流分量,時(shí)間域要求,,設(shè)備系統(tǒng)的非線性聽覺的非線性動(dòng)態(tài)范圍（閾）,非線性失真要求,四、室內(nèi)聲場與音質(zhì),,,室內(nèi)聲場的基本特征室內(nèi)聲場的組成簡正方式和簡正頻率室內(nèi)聲場的基本特征

12、混響和混響時(shí)間室內(nèi)聲場的建立穩(wěn)定和衰減混響時(shí)間的計(jì)算混響時(shí)間的定義賽賓(W.C.Sabine)公式艾潤(C.F.Eyring)公式其它混響公式混響時(shí)間的頻率特性,室內(nèi)聲場,,室內(nèi)聲場分布房間常數(shù)混響半徑聲源指向因子室內(nèi)聲場分布計(jì)算,第一節(jié) 室內(nèi)聲場（2）,,駐波條件：L=n*λ /2 式中：（ n＝1，2，3，……）， λ相應(yīng)波長按駐波條件形成的每一個(gè)駐波稱為房間的一個(gè)簡正方式，其相應(yīng)的頻率為

13、簡正頻率。簡正頻率相同而簡正方式不同的現(xiàn)象，稱之為簡正頻率的“簡并”。,簡正方式和簡正頻率,,室內(nèi)聲源輻射的連續(xù)穩(wěn)定聲波，室內(nèi)各受音點(diǎn)接受到的聲壓值也是穩(wěn)定的，聲壓隨聲源距衰減沒有室外明顯。由于室的周邊對(duì)聲的反射作用，室內(nèi)聲源停止發(fā)聲后，室內(nèi)聲并不立即停止，而是繼續(xù)持續(xù)以段時(shí)間，這種聲的殘響現(xiàn)象通常稱之為混響。由于室形狀的復(fù)雜性，聲波在室內(nèi)傳播時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生回聲、聚焦、蛙鳴以及聲染色等特異聲現(xiàn)象。,室內(nèi)聲場的基本特征,混響和混響時(shí)間

14、,混響時(shí)間的定義：通常，我們定義Lp衰減60(dB)的時(shí)間為混響時(shí)間。記為T60。T60＝（Tb-Ta）×60/（Lpa-Lpb）,,T=KV/A 或 T60＝0.161V/Sα,賽賓公式,艾潤公式,,0.161V,－S ㏑（1－α ）,T60＝,脈沖聲的時(shí)間序列,,,,,第一反射聲,直達(dá)聲,前期反射聲,混響聲,,,,,,,,,,,,,,矩形房間的駐波狀態(tài),,,,,,,,,,,,,,房間常數(shù)混響半徑聲源

15、指向因子室內(nèi)聲場分布的計(jì)算,室內(nèi)聲場分布,,室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)的基本要求主要評(píng)價(jià)量及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)噪聲水平最佳混響時(shí)間混響時(shí)間的頻率特性混響感前期反射聲的時(shí)間序列與方向序列聲場擴(kuò)散特性,第二節(jié) 室內(nèi)音質(zhì)評(píng)價(jià),,室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)的基本要求無噪聲干擾語言用房，應(yīng)追求聲音的清晰音樂用房，要求聲音圓潤、豐滿和足夠的力度立體聲效果用房，追求立體感、空間感和臨場感整個(gè)聲場應(yīng)充分?jǐn)U散、分布均勻沒有回聲、顫音、蛙鳴、嗡聲（低頻聲染色）以

16、及聲聚焦等明顯特異聲缺陷,第二節(jié) 室內(nèi)音質(zhì)評(píng)價(jià),,“噪聲評(píng)價(jià)指數(shù)”（N曲線）“N25線”、“N90線”Lp = a + bNA聲級(jí)〔dB（A）〕N曲線用于噪聲頻譜比較特殊的場合，突出了噪聲的煩惱度； A聲級(jí)〔dB（A）〕計(jì)量較為方便，多用于一般噪聲。,室內(nèi)噪聲水平,,結(jié)論：混響時(shí)間是影響室內(nèi)音質(zhì)的最基本要素，也是最基本評(píng)價(jià)量。音質(zhì)主觀評(píng)價(jià)術(shù)語：“清晰”、“平衡”、“豐滿”、“力度”、“圓潤”、“明亮”、“柔和”、“臨場感”等都

17、與混響時(shí)間相關(guān)。最佳混響時(shí)間：對(duì)于不同用途的聲室，不同的音質(zhì)設(shè)計(jì)，應(yīng)有不同容積的室空間，在此容積下，有某一段混響時(shí)間范圍，其間聲效果最好。最佳混響時(shí)間通常取500Hz—1000Hz作為標(biāo)準(zhǔn)。,最佳混響時(shí)間,,現(xiàn)代演播室、錄音室等聲室，都要求有短而平直的混響時(shí)間，因?yàn)椋憾袒祉懙墓?jié)目可以通過電聲手段任意加進(jìn)人工混響，以模擬各種聲現(xiàn)場的情景，而如果節(jié)目已據(jù)有長時(shí)間的混響則很難減短。短混響的房間由于吸音條件好，有利于降低背景噪聲。在電

18、視節(jié)目中，多數(shù)節(jié)目不希望在畫面中出現(xiàn)傳聲器，這樣現(xiàn)場拾音距離較大，如混響時(shí)間長，就會(huì)影響講話者的親切感和實(shí)在感。,最佳混響時(shí)間,,混響時(shí)間的頻率特性是指：房間的混響時(shí)間隨聲信號(hào)的頻率變化而變化的特性（T60頻譜）,混響時(shí)間的頻率特性,,混響感是人對(duì)混響程度的主觀感受。聽覺比＝混響聲聲能密度（es） /直達(dá)聲聲能密度（ed）“混響感”比“最佳混響時(shí)間”更能反映聽音者的聽音音質(zhì)。,混響感,,前期反射聲的時(shí)間序列前期反射聲的方向序列,前

19、期反射聲的時(shí)間序列與方向序列,,聲波室內(nèi)傳播是靠界面反射進(jìn)行的。如果這種傳播完全處于無規(guī)狀態(tài)，從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)來說可以認(rèn)為聲波通過室內(nèi)任何位置的幾率是相同的，通過的方向幾率也是相同的，各反射聲相遇時(shí)的位相也是無規(guī)的，由此造成的室內(nèi)聲場平均能量密度分布是均勻的，我們就將這種統(tǒng)計(jì)平均均勻的聲場稱為擴(kuò)散聲場。實(shí)際聲場擴(kuò)散特性的評(píng)價(jià)方法：實(shí)測(cè)混響時(shí)間，并計(jì)算與理論值的偏差；或者根據(jù)實(shí)測(cè)混響曲線的不規(guī)則度來評(píng)價(jià)實(shí)際聲場的擴(kuò)散特性。實(shí)測(cè)室內(nèi)聲壓級(jí)分

20、布并與理想分布比較。測(cè)量實(shí)際聲場的指向擴(kuò)散度，并據(jù)此評(píng)價(jià)其擴(kuò)散特性。,聲場擴(kuò)散特性,№,,,在“刺猬圖”中，每根“針”的長度表示該方向傳來的聲能強(qiáng)度。 設(shè)各空間角測(cè)次樣本總數(shù)為N，則針長平均值,聲場擴(kuò)散特性,,常見聲缺陷及其對(duì)音質(zhì)的影響室內(nèi)音質(zhì)改善的建筑聲學(xué)方法,第三節(jié) 室內(nèi)音質(zhì)的改善,,外界噪聲對(duì)室內(nèi)聲場的干擾通過門、窗、管道進(jìn)入；透過墻壁等傳入，二次聲源。建筑物構(gòu)建受機(jī)械撞擊，振動(dòng)沿隔離物傳播輻射干擾混響時(shí)間對(duì)音

21、質(zhì)的影響混響時(shí)間過長混響時(shí)間過短混響時(shí)間頻率特性畸變房間大小及線度比例對(duì)簡正頻率分布的影響,常見聲缺陷及其對(duì)音質(zhì)的影響,,例：某電化教室室內(nèi)總表面積S=800m2，α ＝0.15，透聲壁中，墻面積為20m2，透聲率為τ 1＝0.00001，窗面積為60m2，透聲率為τ 2＝0.001，當(dāng)室外噪聲聲壓級(jí)為75dB（A）時(shí)，求室內(nèi)噪聲聲壓級(jí)。,外界噪聲對(duì)室內(nèi)聲場的干擾,,控制噪聲和振動(dòng)干擾，提高聲信噪比修正混響時(shí)間及其頻率特性，以

22、符合設(shè)計(jì)要求改善房間形體、結(jié)構(gòu)，提高房間擴(kuò)散性能長方體形房間長、寬、高比例盡量避免1:2、1:1等簡單比例關(guān)系。房間容積應(yīng)足夠大，使間隔較大的簡正頻率盡量推向很低頻段使頻率范圍內(nèi)頻率分布均勻。對(duì)長寬高比例不當(dāng)?shù)姆块g，可通過空間分割盡量減少房間平行內(nèi)壁。室內(nèi)吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)的鋪裝以非對(duì)稱為宜。合理設(shè)計(jì)反射面，改善前期反射聲反射面的形體處理改變反射面或聲源位置,室內(nèi)音質(zhì)改善的建筑聲學(xué)方法,,吸聲材料與吸聲機(jī)理多孔吸聲材料