音响工程师必备知识之-声学基础

声学基础

声音在人类生活中具有重要意义，人们就是靠声音传递语言、交流思想的。声音来源于物体的振动。例如人的发声是由声带动引起的；扬声器发声则产生于扬声器膜片的振动；锣、鼓是靠锣面、鼓面膜的振动发声的；弦乐器是靠弦的振动发声的；笛、箫等则依靠空气柱的振动发声……正在发出声音的振动物体称为声源，传播声音的必要条件。没有物体的振动有传声介质（如在真空中），同样也没有声音。声音不仅能在气体中传播，在固体和液体中也能够传播。当声源在空气中振动中，使邻近的空气随之产生振动并以波动的方式向四周传播，传至人耳将引起耳膜振动，最后通过听觉神经产生声音的感觉对于专业音响工作者来说,掌握一些声学基础和生理声学方面的知识是至关重要的。

声音信号的特性

语音和音乐信号都是不规则的随机信号，由基频信号和各种谐波（泛音）成分组成。要“原汁原味”地重放这些随即音频信号，扩声音响系统必须具备符合语言和音乐的平均特性。其中最重要的三个特性是平均频谱（频率响应特性）、平均声压级和声音的动态范围。

1.1、人声信号

人声信号是一种典型的随机过程，它于人的生理特点、情绪与语言内容等因素有关。

1）、语言基音的频率范130-350HZ包括全部谐波（泛音）频率范围为130-4000HZ

2）、演唱歌声的频率范围比较宽，可分为男低音、男中音、男高音、女高音等5个声部。基音的频率范80-1100HZ，包括全部谐波（泛音）频率范围为80-8000HZ。5个声部的范围是：80-294HZ；110-392HZ；147-523HZ；196-698HZ和262-1047HZ。

3）、声压级正常谈话时语言的声功率为1微瓦，大声讲话时可增加到1毫瓦。正常讲话时与讲话人距1米时的平均声压级为65-69dB。

4）、动态范围语言的动态范围（最大声压级与最小声压级之差值）为20-40dB，戏剧60-80dB。

1.2、音乐信号

音乐信号的频谱范围很宽。它与乐器的类型有关。在乐器中管风琴具有最宽的基音范围，从16-9000HZ，其次是钢琴，它的基音范围为27.5-4136HZ。民族乐器的基音范围为

100-2000HZ。所有的乐器都包含有丰富的高次谐波（泛音）。因此音乐的频谱范围可扩展到15000-20000HZ。

高质量的音响系统（音乐重放）的频率响应（频率特性）范围不小于40-16000HZ。信

号动态范围不小于50-55 dB。

描述一个音乐信号的特性还有另外一些量，例如颤音特性、持续时间以及声音的建立和衰减时间等，这些量反映了音乐的瞬态特性。

人声和音乐信号还有一个重要特性，就是最大声压级（持续时间较短的瞬时信号）与长时间内平均声压级之差称为声音信号的峰值因子，它是声音信号动态范围的组成之一，不同节目信号的峰值因子是不同的，为保证声音重放时不失真，系统的动态范围设计必须满足节目要求。

测量表明，语言信号的能量集中在130-4000HZ的中低音和中音范围内。音乐信号的能量分布范围很宽，从30-16000HZ随着频率的升高而减小，低音（包括80HZ以下的超低音）能量最大；中低音的强度稍低，高音强度则迅速下降。因此扬声器箱中的低音、中音和高音扬声器单元的功率配置必须与之相适应。当分频频率为570HZ时，低音和中高音的功率比为1.42；当分频频率为900HZ时，低音和中高音的功率比为1.78；当分频频率为1430HZ时，低音和中高音的功率比为2.54。

1、复杂信号波形的频谱

无论人声、乐器声还是自然界中各种声音都不是单音（或纯音），而是复合音，其波形都不是正弦波，但它们都可以分解成若干强度的不同频率的谐波。声音的音色主要由这些谐波的数量、强度、分布和它们之间的相位关系决定。

自然界中的随机噪声是非周期性重复波形，包含在系统给定频响特性范围内的全部频率分量。

白噪声的频谱图，因为它的频谱结构像可见光的频谱，所以叫白噪声。其特点是在频响范围内，每个频率的能量相等，从我们耳朵的频率响应听起来它是非常明亮的“咝”声（每高一个八度，频率就升高一倍。因此高频率区的能量也显著增强）。用来测试音箱的谐振和灵敏度。

粉红噪声每个八度带有相同能量的随机噪声。我们的耳朵将以“平直”的频率响应接受这些声音（因为粉红噪声建立于八度的基础而不是个别的频率，因此频率变高的时候能量并不增加）。因为这一特性和实时分析仪（RTA）关注一个八度或1/3八度的音域，粉红噪声对于测量音频设备的频率响应和决定房间的扩音应用非常有用。

噪声的颜色是一种形象的表达。光谱中低频是红色，高频是紫色，如果全频带的都有就是白色。所以噪声也这样形象化，全频带强度一样就叫白噪声，粉红噪声则是低频占的比例较多，若光谱程这种分布就会呈现分红色。其他颜色的噪声你可以以次类推。自然界的噪声大多是粉红噪声。

3、声波

弹性介质中传播的机械波，即介质质点的位移、介质内部的压强或密度的扰动在介质中逐点传播的过程。声音是声波作用于人耳引起的感觉。声波按频率可分为次声波、可听声波和超声波3种。次声波的频率范围为10-4～20赫，可听声波的频率范围为20～2×104赫，超声波的频率范围为2×104～1012赫以上，频率在1012赫以上的声波称为特超声波。只有可听声波才能引起人耳的听觉。

声源能发射声波的振动体的总称，通常是振动的固体（如板、杆、膜、弦等）或振动的空气柱（如哨、笛等），前者称机械声源，后者称空气动力声源。自然界存在各种各样的声源，人们还制造了用于不同目的的人工声源，如各种乐器、扬声器、电致伸缩和磁致伸缩换能器等电声转换器件。除上述宏观声源外，在固体内部发生的微小动力变化也能发声，例如范性形变引起的整体沉陷、位错破裂、微小断口的扩展等，这些发声一般都是脉冲式发声。

声源的主要特性包括频率特性、发射声功率和声发射的指向性等。一般声源能发射各种频率的声波，对声波进行频谱分析和测量是研究声源特性的重要方面。单位时间内从声源发射出来的平均能量称为声源的声功率。一般的声源所发射的声波在不同方向上有不同的强度，研究和测量声发射的指向性对声波的利用无疑极为重要。

声速声扰动或振动在介质中的传播速度称为声速，声速一般由介质的性质和温度等因素确定。对线性声波（波动过程中自变量与应变量成线性关系，例如质点所受的恢复力与位