第1章 电声技术基础.doc

第1章 电声技术基础
1.1声波
物体的振动（即声源）引起空气分子相应的振动，传入人耳导致鼓膜振动，通过中耳、内耳等一系列听觉器官的共同作用使人听到了声音。
声音就是通过中间媒质传播，能被人耳感觉的振动，通常叫做声波。
传声媒介：空气、液体、固体等。
声波传播的空间称为声场。
由于空气质点的振动方向与波的传播方向相同，故属于纵波传播。

一、声波的特性
声速:
声波的传播速度称为声速。声速取决于媒质的弹性和密度。声音在空气中的速度是随温度的升高而增加的。空气中的声速（米/秒）在温度T 时为：
V=331.6+0.6t(M/S)
t为20度时，V=340M/S为声速的一般取值。
声波在水中的传播速度为1485M/S,在钢材中的传播速度为5000M/S
(注意：声波是机械波，与音频电磁波的区别)

声振动一个周期传播的距离(在波的传播方向上，两震动相位相同又相邻的媒质质点间的距离)叫做波长,用l表示为：
l=V/f（M）

二、声波的度量
1、声压、声压级
声压：声波在空气传播过程中，引起空气质点振动，使空气发生疏密变化，导致空气压强变化叫声压。用P表示，单位是:帕（1Pa＝N/㎡)和微巴（1μba＝dyn/c㎡）。
1Pa＝ 10μba,
1个大气压＝105 帕（空气分子本身固有的不规则运动及相互排斥会形成一个静态的压力）
声压（振动的空气分子对它通过的截面产生额外的压力）比大气压要小很多，一般人们谈话的声压约为2×10-2 Pa～7×10-2 Pa
听阈声压: 刚能听到的声音的声压值为2×10-5Pa。
痛阈声压: 感到疼痛的声音的声压值为20Pa。

任意周期性声波可分解为一系列简谐振动，其物理量按正弦或余弦规律变化为：
A(t)=Amsin(ωt+θ)
Am为振幅、ω为角频率、θ为初相位
声波的相位用于描述简谐振动在某一瞬间的状态。
人耳感受振动的频率范围是有限的，声波的一般范围：
20HZ～20000HZ
低于20HZ的振动称为次声波 高于20000HZ的振动称为超声波

声压级常用Lp表示，定义为：

式中：Lp——声压级，dB；
p——声压，Pa；
p0——基准声压。
在空气中规定:p0为2×10－5Pa，该值是正常青年人耳朵刚能听到的1000Hz纯音的声压值。

各种环境的声压和声压级

2、声功率
单位时间内通过垂直于声传播方向，面积为S的截面的平均声能量称为平均声能量流或平均声功率。

单位为瓦（W）
式中：e为声能密度 c0为声速 s为截面积
声功率级：
Lw=10lgW/Wr （dB）
式中Wr=10-12 W，称为基准声功率。

¡ 声能量密度e
是指声场中单位体积内的声能量，单位：J/m3。
声能量密度的平均值：

3、声强
通过垂直于声传播方向单位面积上的平均声功率（或平均声能量流）称为声强。
I＝W/S 单位为：W/㎡
声强级：
（dB）
式中I0＝1×10－12 W/㎡ 为闻阈声强值
声强与声压关系：

三、声音的传播特性
声波作为机械波的一种，具有波在传播中的一切特性，
在传播过程中会产生衰减，反射，透射和衍射等现象。
1、声波的衰减
声波在媒质传播过程中，声压或声强将随着传播距离的增加而逐渐衰减。
主要原因：由于空气的粘滞性和热传导使声能变为热能而损耗。
声波的频率愈高，空气的吸收也愈大，声波的频率愈低，空气的吸收也愈小。因此高频声波比低频声波衰减得快.
除了空气能吸收声波外，有一些材料如玻璃棉、毛毡、泡沫、塑料等称为吸收材料。

2、声波的反射和透射
声能被障碍物反射回来，就是声反射，另一部分透入障碍物内部并被吸收，余下的能量就会透过障碍物并在另一面传播这叫透射。
反射、吸收、透射声能的大小与障碍物的性质有关。
声阻抗 z = ρc
（ρ为介质密度，c为介质中的声速）
当声波进入阻抗不同的介质时，必然发生反射現象与透射現象

媒质
声速 (m/s)
密度 (kg/m3)
声阻抗(kg/m2s)
空气
0℃
3.32×102
1.29
4.28×102
20℃
3.44×102
1.21
4.16×102
水 (20℃)
14.8×102
988.2
1.48×106
脂肪
14.0×102
970
1.36×106
脑
15.3×102
1020
1.56×106
肌肉
15.7×102
1040
1.63×106
密质骨
36.0×102
1700
6.12×106
钢
50.5×102
7800
39.4×106

反射率 r =Er/EO = (z1-z2)2/(z1+z2)2
透射率 τ=Eτ/EO = 4z1z2/(z1+z2)2
吸声系数 α=1- r
吸收材料吸收声能愈好反射声能就愈小。透过的声能愈小，隔声的性能就愈好。
声能大部分反射的表面称为声学刚性的。
凹曲面对声波形成集中反射，使声能集中于某一点或某一区域，称为声聚焦。
凸曲面对声波反射，使声能形成扩散。

由上述各式可知，声波在分界面上反射和透射的大小决定于媒质的特性阻抗，具体分析如下：
当z1 ＝ z2 时，有r ＝0 ，τ＝1 ，全部透射
当z1 z2 时，有r 0 ，τ 0，硬边界，反射波和入射波声压同相
当z1 z2 时，有r 0 ，τ 0 ，软边界，反射波和入射波声压反相
当z1 z2 时，有r 1 ，τ 2 ，绝对硬，反射波声压和入射波声压大
小相等，相位相同，在界面上合成声压为入射声压的两倍，发生全反射。

3、声波的衍射和绕射
声波在前进过程中，遇到尺寸比其波长大得多的障碍物时，会发生反射；当遇到尺寸较小的障碍物或孔隙时，就会发生衍射（绕射），低频声更容易发生衍射；
声波的衍射（绕射）现象与声波的频率、波长及障碍物的大小有关。
如果声波的频率比较低、波长较长而障碍物的大小又比波长小得多，这时声波能绕过障碍物，并在障碍物后面继续传播。
如果声波的频率比较高、波长较短，而障碍物的大小又比波长大得多，这时声波不能绕过障碍物，并在障碍物后面继续传播得较少，这时衍射现象不明显。

4、声波的干涉和叠加
两个频率相同的声波传到空间某一点时，常会发生干涉现象：
如果相位相同两个声波便会互相叠加而增强，
如果相位相反两个声波便会互相减弱，甚至抵消；
如果相位存在一定相位差，则可能有一些增强或减弱。

四、室内声学
1、室内声的组成
⑴ 直达声：是室内任一点直接接收到声源发出的声音。是接收声音的主体，不受空间界面影响，其声强基本与听点到声源间距离的平方成反比衰减。
⑵早期反射声：指延迟直达声50ms以内到达听声点的反射声，对声音起到增强作用；在大空间内，因反射距离远，易形成回声，产生空间感
⑶混响声：声波经室内界面的多次反射，迟于早期反射声到达听点的声音，直至声源停止发声，但由于多次反射，听点仍能听到，故又称余声，影响声音的清晰度。
室内声场组成

2、混响及混响时间
当室内生源停止发声后，声音衰减的过程称为混响过程。
混响时间T60 ：指声源停止发声开始到声压级衰减60dB所需的时间。

¡ 赛宾公式：

¡ 艾润公式：

通常要计算125Hz、250Hz、500Hz、1kHz、2kHz、4kHz
6个频率的混响时间值，在未加注明时，通常是指500Hz的混响时间。例如，用于电影院会议厅的500Hz频率的混响时间为1.0~1.2s，多功能厅堂为1.2~1.4s.

¡ 混响半径
室内声场中直达声声能密度等于混响声声能密度的点与声源的距离称为混响半径。
混响半径与房间吸声情况有关，与声源无关。
房间常数R（m2)：

¡ 声场中直达声声能密度等于混响声声能密度的点与声源的距离称为混响半径。

¡ 听音点在混响半经以内时，直达声起主要作用。
听音点在混响半经以外时，混响声起主要作用。
1.2 人的听觉特性
耳的构造和功能
外耳：耳廓和外耳道
中耳：鼓膜、三块听小骨（锤骨、砧骨和镫骨） 卵圆窗和正圆窗
内耳：前庭器官和耳蜗（鼓阶、中阶和前庭阶）
¡ 听觉功能涉及到多种形式的能量转换，环境中的声能经传送通过鼓膜后被转换成机械能，而机械能又被听小骨增强之后通过前庭窗传给耳蜗，耳蜗中的液体流动则属于液体能，这一液体运动使位于基底膜的毛细胞弯曲，毛细胞又把机械/液体能转换成电脉冲传输给大脑，大脑最后将接收电脉冲信号并解释为"声音"。

一、听的主观感觉
声音的质量
决定声音质量的四个因素：响度（振幅）、音高（频率）、音色（频谱）和音品（波形包络）。
响度、音高、音色、音品是听音的主观感觉，它包括了心理和生理的因素在内。
而振幅、频率、频谱和波形包络是声音信号的物理量，是可以进行客观技术测量的。

1、响度(振幅):
是人耳对声音强弱的主观评价尺度，其客观评价尺度是声波的振幅。
响度是人耳判别声音强度等级的概念，单位是sone（宋）1宋定义为声压级为40dB,频率为1000Hz,且来自听者正前方的平面波形的强度。如果另一个声音听起来比这个大n倍，则声音的响度为n宋。

¡

响度级：
将某一频率的声音与1kHz的声音比较，当两者响度一样时，1kHz声音的声压级（以2x10-5Pa为0dB的相对分贝数）就是该声音的响度级。单位：方（phon）
响度与响度级的关系
根据大量实验得到，响度级每改变10方，响度加倍或减半。

或
响度级的合成不能直接相加，而响度可以相加。
等响度曲线：
在声压级与频率的坐标系中，声压级作为参变量,将频率不同，听起来却有同等响度的声压级连接起来组成的一簇曲线。

¡ 低声压级时，等响度曲线上各频率声音的声压级相差很大。
高声压级时，各频率的听感等响基本相同。
高频段的响度变化与声压级增量基本一致；低频段声压级的微小变化会导致响度的较大变化。

2、音高：
音高又称音调，是人耳对声音调子高低的主观评价尺度，它的客观评价尺度是声波的频率。
频率增加一倍，声学中称之增加一个“倍频程”，音乐上叫“提高一个八度”。音调单位：美（mei）音高与频率基本成对数关系。
音律：在乐音中用音律来描述音高。
乐音具有确定的周期和频率，把一组音按音调高低的次序排列起来就成为音阶，如：
dou， ruai， mi， fa， sou， la, xi， dou
C, D, E, F, G, A, B, C1
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 1.

为了确定乐音体系中各音的绝对准确高度，国际标准音高规定为440Hz的a音，将一个纯八度(如c-c1)分成十二个均等的部分(即半音)，每相邻的两个半音，高音频率是低音频率的“2的1/12次方倍”。这就是十二平均律。半音与半音相加等于一个全音。高音C的频率正好是中音C频率的2倍（即1与ⅰ之间相距一个倍频程或提高一个八度）。
音名： c #c(降d) d #d(降e) e f
频率(Hz)：261.63 277.18 293.66 311.13 329.23 349.23
音名： #f(降g) g #g(降a) a #a(降b) b
频率(Hz)：370.00 392.00 415.30 440 466.16 493.88

3、音色：
乐器中的振动源,其振动方式决定了它具有丰富的谐波成分（泛音），因而产生出以基本振动频率（称为基音）为主含丰富泛音的乐音。
基音：在复音中，频率最低的声音叫做“基音”。乐音的音调是由基音的频率决定的。
这些谐波频率是基本振动频率的整数倍，音乐术语称为泛音。谐波成分的多少及振幅的比例决定了乐音的音色。
常用形容词有：甜美、圆润等。

4、音品：
音品是由声波的波形所决定的。波形的包络指乐音中的每个周波颠峰间的连线。
在音乐中的声音，其谐波组成和波形的包络，包括声音的起始和结束的瞬态，也就是声音的成长和衰变的过程确定了声音的特征，称为音品。
常用的形容词是：清晰、结实有力等。
音品与声音的频谱结构、包络和波形有关。发音体的泛音
结构不同，频率特性曲线、种类不同造成音色结构的不同。

二、听觉效应
听觉的感受性：
¡ 对音频高、中、低各频段平衡性的控制
¡ 密度与重量感
¡ 透明感
¡ 层次感
¡ 定位感
¡ 速度感与瞬态反应
¡ 想象力与形体感
¡ 对比性
¡ 空间感
1、 人耳的非线性掩蔽效应
¡ 掩蔽效应：
是指同一环境中的其它声音会使聆听者降低对某一声音的听力，由于第一个声音存在而使第二个声音提高听阈的现象称为掩蔽效应。第一个声音称为掩蔽声，第二个声音为被掩蔽声，第二个声音听阈提高的数值称为掩蔽量，以dB表示。
¡ 纯音的掩蔽
¡ 噪音的掩蔽: “鸡尾酒会效应”
在嘈杂的声场中，通过两耳拾取音源的距离差、时间差、频率差就可以辨别出不同方位的声音，来选择不同方位的声源。

¡ 频域掩蔽
频域中的一个强音会掩蔽与之同时发声的附近的弱音，弱音离强音越近，越容易被掩蔽；离强音较远的弱音不容易被掩蔽。如1000Hz的音比900Hz的音高18dB，则900Hz的音将掩蔽。若1000Hz的音比1800Hz的音高18dB，则两音将同时被听到。若要让1800Hz的音听不到，则1000Hz的音要比1800Hz的音高45dB。

¡ 时域掩蔽
在时间上相邻的声音相互之间也有掩蔽现象，称为时域掩蔽。时域掩蔽又分为超前掩蔽和滞后掩蔽。超前掩蔽很短，只有大约5～20毫秒，而滞后掩蔽可以持续50～200毫秒。产生时域掩蔽的主要原因是人的大脑处理信息需要花费一定的时间。

n 低频声对高频声掩蔽作用明显。
n 复音掩蔽声音色发生变化。
n 掩蔽声接近被掩蔽声，掩蔽作用大；后掩蔽明显。
n 单耳掩蔽效应大于双耳。
n 提高掩蔽音的声压级可展宽掩蔽的频率范围。
2、听觉的延时效应（哈斯效应）
¡ 两个声音，后到者不比先到者的声压级高，不管后到者从哪个方向传来，延时声滞后时间不超过17ms，不会发现是两个声音
¡ 两个声音方向相近时，延时30ms也不一定能被发现
¡ 延时35~50ms时，延时声的存在才会被感觉到
¡ 当延时声超过50ms时，会感到像回声一样的干扰。
¡ 当两个声源中的一个延时在３５ｍs 以内时，人耳的听音感觉只能判断出前导声源的存在，而不能感觉到延时声源的存在。（先入为主）
¡ 其中一个声源的延时大于５０ｍs时，人耳则能够感觉到两个声源的方位。

3、多普勒效应：
如果声源与听者不是处于相对静止状态，而是有相对的运动，则听者将感到声源所发出的声音，其频率有变化，这种现象称为多普勒效应。

三、　立体声的听觉原理
1、立体声的概念及特点
立体声是一个应用两个或两个以上的声音通道，使聆听
者所感到的声源相对空间位置能接近实际声源的相对空间位
置的声音传输系统。
音乐厅中立体声由三部分组成：直达声、反射声和混响声
n 具有声像临场感
（空间感、方位感、分布感、包围感）
n 具有较高的清晰度和信噪比
人的双耳之间的距离约为18厘米，因而声音到达双耳在时间、强度和相位等方面有差别。由此可辨别出声音的方向和声源的位置，头部对离声源较远的那只耳朵上的高频声音产生遮挡衰减，使神经系统能根据双耳间强度不同确定声音的方向。在低频部分，声音发生绕射，可绕过头部，到达较远的那只耳朵而不受阻碍，所以，神经系统通过比较声音到达两耳的时间差来确定声音的方向。
2、听觉定位机理
（1）德.波埃效应－双声源实验
¡ 当听音者在距离立体声声源相等的对称线上时，如果其声源的声压差和时间差均为零，所表现的声像在对称线上，听感好象只为一个声源。
¡ 当声压差增大时，声像则向声音较强的声源方向移动，当声压差大于１５ｄＢ时，就会感受到声像是由较响的声源单独发出。
¡ 如果声压差为零，而时间差变化时，同样也有声像移动的效果，当时间差大于３ｍｓ时，则声像完全由前导的声源所决定。
（2）双耳效应
（a）声音到达两耳的时间差
    由于左右两耳间有一定距离，除中轴线来的声音之外，由其他方向来的声音到达两耳的时间就有先后，从而造成时差。声源越是偏向一侧，则时差也越大。实验证明，如果人为地造成两耳听音的时差，就可以产生声源偏向的幻觉。当时差到达0.6ms左右时，就感到声音完全来自某一侧了。

  （b）声音到达两耳的声级差
     由于头颅对声音的阻隔作用，声音到达两耳的声级就可能不同。靠近声源一侧的声级较大，而另外一侧较小。实验证明，最大声级差可达25dB左右。
   （c）声音到达两耳的相位差
    由于两耳在空间上有距离，所以声波到达两耳时的相位就可能有差别。耳朵内的鼓膜是随声波而振动的，这个振动的相位差也就成为我们判断声源方位的一个因素。实验证明，即使声音到达两耳时的声级、时间都相同，只改变其相位，我们也会感到声源方位有很大差异。

 （d）声音到达两耳时的音色差
声波如果从右侧的某个方向上来，则要绕过头部的某些部分才能到达左耳。已知波的绕射能力同波长与障碍物尺度之间的比例有关，人头的直径约为20cm，相当于1,700Hz声波在空气中的波长，所以人头对千余赫兹以上的声音分量有掩蔽作用。也就是说，同一个声音中的各个分量绕过头部的能力各不相同，频率越高的分量衰减越大。于是左耳听到的音色同右耳听到的音色就有差异。只要声音不是从正方向上来，两耳听到的音色就会不同，从而成为人们判别声源方位的一种依据。

（e）直达声和边缘反射声群所产生的差别
     由声源发出来的声音，除直接到达我们双耳的直达声之外，还会经周围障碍物一次或多次反射而形成反射声群，陆续到达人们的双耳。因此直接声和反射声群的差别，也就会提供声源在空间分布的信息。
双耳效应只能解释前方水平方向上的声音定位，三维空间定位主要依赖于耳廓效应。

（3）耳廓效应
声音从不同角度进入人耳时，由于耳廓的结构会影响声源的定位，人们从这些反射声的短延时量的范围就可判断出声音是上还是下、是左还是右。如果声音来自人的后面，由于没有反射声人们也会以此作出判断。
耳壳协助声音定位, 主要是将每次接收到的声音,与过去存储在大脑里的重复声或梳状波动的记忆进行比较, 然后才判断出声音方位。因为每个人的耳壳、耳腔尺寸并不完全相同, 因而每个人在大脑存储的记忆是不相同的。所以人类的耳廓对确定声音的空间方向起主要作用，双耳效应和耳廓效应赋于人耳全方位辨别声音方向的能力