声学原理

声学原理

声波是由物体振动产生的，当振动在一定的频率和强度范围内时，人耳就可听到。振动发声的物体称为声源。

声源发声后要经过一定的介质才能向外传播，而声波是依靠介质的质点振动而向外传播声能，介质的质点只是振动而不移动，所以声音是一种波动。波是振动的传播是振动状态的传播，即振动方向、振动位相或振动能量的传播。波的传播并不是介质或物理量本身的向前运动。即声源的质点并不随声波前进，他只在原地运动，传递出的只是质点的运动状态。

由上所述，声音为一串串稀疏稠密交替变化的波，而疏和密就是空气压强的变化，再通过人的耳膜对空气压力的反映传入大脑，从而听到声音。声波是描述声音的物理现象，常用波形表示。声波具有一

切“波”的性质。所以产生声音的必要条件有两个：1、必须要有振动体或振动源。2、声波的传递必须依靠传播媒介。声波传播的空间称为声场。气体中的声波属于纵波，即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上。同一时刻，同位相的振动传播到达点的集合叫做波阵面。波阵面是平面的波叫平面波，波阵面是球面的波叫球面波。

一般情况下，平面振动发出的波是平面波，点源振动发出的波是球面波。

人耳的听音范围是20Hz~20KHz。低于20Hz叫次声波，高于20KHz的叫超声波。

声波在振动一个周期内传播的距离叫做波长。用λ表示

声波一秒钟传播的距离叫“波速”用c表示

声波一秒钟振动的次数叫“频率”用 f表示

它们之间的关系：λ=c/f

相位：说明其声波在周期运动中所达到的精确位置，通常用圆周的度数来表示。

振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加合时，就产生驻波。驻波形成时，空间各处的介质或物理量只在原位置附近作振动，波停驻不前，而没有行波的感觉，所以称为驻波。

声波在传输过程中具有相互干涉作用。两个频率相同、振动方向相同且步调一致的声源发出的声波相互叠加时就会出现干涉现象。如果它们的相位相同，两波叠加后幅度增加声压加强；反之，它们的相位相反，两波叠加后幅度减小声压减弱，如果两波幅度一样，将完全抵消。由于声波的干涉作用，常使空间的声场出现固定的分布，形成波峰和波谷（从频响曲线上看似梳状滤波器的效果）。对于一般的节目素材，只要几个

峰和谷产生于每个1／3倍频程的频带内，那么这种梳状滤波器的影响并不特别明显。人耳的临界频带宽度是非常接近1／3倍频程的。

在厅堂内扩声时由于墙壁的反射也会出现声波的干涉现象。如果是纯音（正弦波）信号，这种干涉现象必然会引起空间声场的很大差异，即：有的地方声波会加强、有的地方声波会减弱甚至完全抵消，成为“死点”（听不到声音）。好在语言和音乐不是正弦波而是复杂的波形，这种复杂的波形用傅立叶级数展开是多个不同频率、不同幅度的正弦波。所以有“此起彼落”“填平补齐”的效果，使干涉效应不太明显。但是！由于不同的频率信号所产生的干涉效果不同，某些频率信号加强，另一些频率信号减弱，所以常常导致房间传输特性不均匀。

房间共振可以用波动声学的驻波原理加以说明。简单地说，驻波是驻定的声压起伏，由两列在相反方向上传播的同频率、同振幅的声波相互叠加而形成。当声源持续发声时，在两平行墙之间、始终维持驻波状态，即产生轴向共振，其共振频率为：f=nc/2L，在矩形房间的三对平行表面间，只要其距离为半波长的整数倍，就可产生相应方向上的轴向共振。在矩形房间中，除了上述三个方向的轴向驻波外，声波还可在两维空间内产生驻波，称切向驻波；同样，还会出现三维的斜向驻波.

当波源与波的接收者之间以一定速度作相对运动时，接收者所接收到的频率(或波长)，这就是多普勒效应。当波源与波的接收者之间做相向运动即相互靠近时，接收者接收到的频率就会升高；当波源与接收者之间做反向运动即相互远离时，接收者接收到的频率就会变低。听疾驶而来的火车鸣笛声，先是升高，然而当火车掠身而过再向后驶去时，笛声又降低。

声学的基本概念

一般的声波都不是纯粹的正弦波，所有的周期振动都可以分解成各种频率、振幅和位相的正弦波，看成是它们的叠加。我们把频率最低的叫做基频 (Foundamental Frequency)，其倍频叫做谐波(Harmonics)或泛音(Over Tone)。

人们之所以能够听到声音，是由于声波振动引起的，并通过传声媒质（如：空气、水、混凝土等弹性物质）传播进入人耳。在反射声中较早到达人耳的声波较强，这个较强的反射波称之为早期反射声，在此之后的反射声的总和称为混响声。

从声源或振动源不经过任何反射直接传入人耳的叫“直达声”，它的传播时间和路程最短，直达声最接近于原始声音，最清晰。声音通过物体反射传入人耳的叫“反射声“。人的双耳距离大约有15~17厘米，这个距离使人耳具有非常准确的判断声源位置的特性。比如说：声音从左方首先进入左耳，右耳听到的声音比左耳晚一些其时间差=双耳距离/声

速，为0.44~0.5mS。这个时间差使听音者感觉声音来自左方。所以直达声对判别声源的位置起决定性作用。因此人们在欣赏音乐时具有立体感和空间感。

早期反射声是在室内声场的反射声中较早到达人耳的声波较强，这个较强的反射波称之为早期反射声。早期反射声可以加强直达声，展宽声源。早期反射声时间的长短，可以使人感觉声场的大小。以室内声场的声能密度衰减到原始值的百万分之一时所经过的时间进行量度，称为混响时间。因此，混响时间可定义为室内声音已达到稳态后停止声源发声，平均声能密度自原始值衰减60分贝所需的时间，并用T60或RT表示。

塞宾公式：T60=0.161V/Sa

V--房间容积 S--室内总表面积 a--室内平均吸声系数

伊林公式：T60=0.161V/-Sln(1-a)+4mV 4m--空气衰减系数

伊林公式不仅考虑了室内表面的吸声，且考虑；际上．当房间较大时，空气对频率较高的声音 (2kHz以上)也有较大的吸收。这种吸收主要取决于空气的相对湿度和温度的影响。

声波存在的空间叫做声场。被研究的声场有扩散声场，即声源向四方传播，没有反射。这种能使室内任一位置上的声波可以沿所有方向传播的声场称为扩散声场。这里所说的："扩散"，具有明确的．物理意义。严格意义上的扩散声场必须满足以下三个条件：(1)室内的声能密度均匀，即声能密度处处相等；(2)声能在室内各个方向传递的几率相等；(3)从室内各个方向到达任一点的声波，其相位是无规的。在这样的声场中，声波无论在空间位置上，还是在传播方向上都不会一成不变地"聚集"在一起，而是随着传播过程的进行逐渐扩展，并分散开来，直至充满全部空间并遍及所有方向。

自由声场：媒介是均匀的，各向同性，并足够大，以致于边界影响忽略不计，没有任何障碍物的声场

在一般情况下，扩散声场的条件是难以满足的，但在一定条件下，把不规则的大房间中的声场近似地作为扩散声场处理，所得的结果与实际情况相差不大。然而，如果房间的形状简单而规则，情况则不然。这时在室内就可能出现声场的严重"不扩散"状况，声波就可能在某些位置或某些方向上特别加强，而在另一些位置或方向上特别削弱。例如在圆形大厅中，声波将聚集在大厅中部；在正方形房间中，沿某些方向的驻波将较强等等。为了尽可能在室内形成扩散声场，应避免采用凹形壁面，而凸面反射体的正确使用，则是使室内声场趋向扩散的一种有效方法。这种能够促进声场扩散的反射体通常称为声扩散体。