声学基本知识

声学基本知识
一、声音的基本性质
声音来源于振动的物体。

辐射声音的振动物体称为“声源”。

声源要在弹性介质中发声并向外传播。

声波是纵波。

(1)人耳所能听到的声波的频率范围为20~20000Hz，称为可听声。

低于20Hz的声音称为次声;高于20000Hz的声音称为超声。

次声与超声不能使人产生声音的感觉。

(2)室温下空气中的声速为340m/s.声速c，波长λ和频率f有如下关系：
频率为100～10000Hz的声音的波长为3.4～0.034m.这个波长范围与建筑物室内构件的尺度相当，在室内声学中，对这一频段的声波尤为重视。

-f2.每一频带以其中心频率fc标度，.建筑声学设计和测量中常用的有倍频带和1/3倍频带;在倍频带分析中，上限频率是下限频率的两倍，即fl=2f2;在1/3倍频带分析中，在可听声范围内，倍频带及1/3倍频带的划分及其中心频率如表3—l所示。

表中第一行为1/3倍频带中心频率，第二行为倍频带中心频率。

(4)波阵面与声线
声波从声源出发，在同一介质中按一定方向传播，声波在同一时刻所到达的各点的包络面称为波阵面。

声线表
示声波的传播方向和途径。

在各向同性的介质中，声线是直线且与波阵面垂直。

依据波阵面形状的不同，将声波划分为：
1)平面波——波阵面为平面，由面声源发出;
2)柱面波——波阵面为同轴柱面，由线声源发出;
3)球面波——波阵面为球面，由点声源发出。

一个声源是否可以被看成是点声源，取决于声源的尺度与所讨论声波波长的相对尺度。

当声源的尺度比它所辐射的声波波长小得多时，可看成是点声源。

所以往往一个尺度较大的声源在低频时可按点声源考虑，而在中高频则不可以。

(5)声绕射
声波在传播过程中，遇到小孔或障板时，不再沿直线传播，而是在小孔处产生新的波形或绕到障板背后而改变原来的传播方向，在障板背后继续传播。

这种现象称为绕射，或衍射。

(6)声反射
声波在传播过程中，当介质的特性阻抗发生变化时，会发生反射。

从几何声学角度，可更直观地解释为，声波在传播过程中遇到尺寸比声波波长大得多的障板时，声波将被反射。

根据界面的粗糙程度，声波在界面上的反射可分为镜像反射和扩散反射。

1)镜像反射
镜像反射声线的方向可由虚声源法确定。

如果用声线表示声波的传播方向，则反射声线可以认为是从虚声源发出的。

镜像反射遵循斯奈尔声波反射定律，即入射声线、反射声线和反射面的法线在同一平面内，入射声线和反射声线分居法线的两侧，反射角等于入射角。

2)扩散反射
当界面比较粗糙，其凸出部分不小于入射声波波长的1/7时，人射到界面上的声波会发生扩散反射。

这时，声波被分解成许多较小的反射声波，传播的立体角扩大。

(7)反射系数、透射系数、吸声系数
声波入射到构件时，入射声能中的一部分声能被反射，一部分透过构件，还有一部分由于构件的振动或声音在其中传播时介质的摩擦或热传导而被损耗，称为材料的声吸收。

根据被反射、透过和吸收的声能占总入射声能的比例，分别定义了材料的反射系数、透射系数和吸声系数，如下：
反射系数：
透射系数：
吸声系数：
式中E0，Eτ，Eγ——分别为人射声能、被界面反射的声能和透射的声能。

τ小的材料称为隔声材料，α>0.2的材料称为吸声材料。

在进行室内音质设计与噪声控制时，必须了解各种材料的隔声与吸声特性，从而合理地选用材料。

二、声音的计量
声波是能量传播的一种形式，仅从频率、波长、声速等方面描述是不够的。

在声环境评价和设计中，需要一些物理量来对声音进行计算和测量。

1.声功率
声功率是声源在单位时间内向外辐射的声能，记为W，单位是瓦(W)或微瓦(μW，lμpW=10-6W)。

2.声压
介质中有无声波传播时压强的改变量，称为声压，用符号户表示，单位是帕(Pa)。

3.声强
单位时间内，垂直于声波传播方向的单位面积所通过的声能，称为声强，用符号I表示，单位是瓦/平方米(W/㎡)。

4.声能密度
声能密度指单位体积内声能的强度，用符号表示，单位是(w·s)/m3，或J/m3。

5.声音计量物理量之间的关系
(1)声功率与声强——平方反比定律
在无反射的自由场中，由点声源发出的球面波声场中某点的声强与该点到声源的距离的平方成反比，称为平方反比定律：
式中I——声场中某点的声强，W/㎡;
W——声源的声功率，W;
r——声源到受声点的距离，m.
对于平面波，声场中的声强不变。

(2)声压与声强
在自由场中，声压与声强有如下关系：
式中P——有效声压，Pa;
ρ0——空气密度，kg/m3;
c——空气中的声速，m/s;
ρ0c——空气介质的特性阻抗，20oC时等于
415(N·s)/m3.
(3)声能密度与声强
声能密度与声强有如下关系
式中ε——声场中的声能密度，J/m3;
I——声场中的声强，W/㎡;
ρ0——空气密度，k8/m3;
c——空气中的声速，m/s.
6.声压级、声强级、声功率级及其叠加
人耳容许声强的上下限值之差别高达l万亿倍，声压相差也达100万倍。

同时，人耳对声音强度感觉的变化也不是与声强和声压的变化成正比，而是近似地与它们的对数值成正比，为此，引入“级”的概念，单位是分贝(dU)。

声压级：
式中PO为基准声压，P0=2×10-5Pa.
声强级：(dB)
式中IO为基准声强，I0=10-12W/㎡.
声功率级：(dB)
式中Wo为基准声功率，Wo=10-12W.
在常温下，通常可以认为，空气中声压级与声强级近似相等。

声压级进行叠加时，不能简单地进行算术相加，而要求按对数规律进行叠加。

当几个声源同时作用于某一点时，在该点所产生的声压是各声源单独作用时在该点所产生的声压平方和的方根值。

例如，n个声压相等(均为p)的声音叠加，总声压级为：
从上式可以看出，两个数值相等的声压级叠加时，只比一个声源单独作用时的声压级增加3dB.例如。

两个50dB 的声音叠加只是53dB，而不是100dB.声压级叠加可查表进
行计算。

当两个声压级差超过15dB时，较小声音的声压级可略去不计，其总声压级等于较大声音的声压级。

三、声音的频谱与声源的指向性
1.声音的频谱
声音的频谱是用来表示声音各组成频率的声压级分布。

以频率(或频带)为横坐标，声压级为纵坐标的频谱图表示。

具有单一频率的声音，称为纯音，其频谱图为一直线段;
由频率离散的若干个分量复合而成的声音，称为复音，其频谱图为线状谱;
包含连续频率成分的噪声的频谱为连续谱。

对于连续谱的噪声，若其声压级用频带声压级表示，则得到频带声压级谱。

了解声音的频谱很重要。

在噪声控制中，只有了解了噪声的各组成频率成分及其强度，才能有效地降低噪声。

在音质设计中，应避免声音频谱发生畸变，保证音色不失真。

2.声源的指向性
声源的指向性表示声源辐射声音强度的空间分布。

指向性声源在距声源中心等距离的不同方向的空间位置的声压级不相等。

人和乐器发出的声音都具有指向性。

通常频率越高，声源的指向性越强，当声源的尺度比波长小得多时，可近似看作无方向性的“点声源”。

此时，在距离声源中心等距离处，声压级相等。

四、人的主观听觉特性
1.听觉定位
人耳的一个重要特性是能够判断声源的方向与远近。

听觉定位是由双耳听闻得到的。

由声源发出的声波到达双耳时有一定的时间差、强度差和相位差。

人据此可判断声源的方位和远近，进行声像定位。

2.时差效应
如果到达人耳的两个声音的时间间隔(称为“时差”)小于50ms，就不觉得声音是断续的。

一般认为，在直达声到达后约50ms内到达的反射声(即声程差为17m)，可以加强直达声;而在50ms后到达的反射声，不会加强直达声。

如果延时较长的反射声的强度比较突出，则会形成回声的感觉。

在室内音质设计中，回声是一种声学缺陷，应加以避免。

人耳对回声感觉的规律，最早是由哈斯(Hass)发现的，故称为哈斯效应。

3.掩蔽效应
人耳对一个声音的听觉灵敏度因为另一个声音的存在
而降低的现象，称为掩蔽效应。

存在的干扰声音称为掩蔽声。

掩蔽效应说明了噪声的存在会干扰有用声信号的通讯。

但有时可以利用掩蔽效应，用不敏感的噪声去掩盖不想听到的声音。

4.纯音等响曲线
人耳对声音的响应并不是在所有频率上都是一样的。

以纯音做实验，取1000Hz纯音的某个声压级作为参考标准，则听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级就构成一条等响曲线。

依次改变参考用的1000Hz纯音的声压级，就得到一组参考曲线。

该1000Hz的纯音声压级定义为该等响曲线的响度级，单位是方(Phon。

对于复合音，不能直接使用等响曲线，其响度级需通过计算求得，或可用声级计测量得到。

声级计中设有A、B、C三个计权网络，测量的结果分别称为A声级、B声级和C声级，分别记为dBA、dBB和dBC.其中A计权网络是参考40方等响曲线，对500Hz以下的声音有较大的衰减，以模拟人耳对低频声音不敏感的特征。

A声级与主观响度密切相关，因此在音频范围内进行测量和计算时，多采用A 声级。

要使人主观感受的声音响度增加一倍(或减为1/2)，则声压级的变化要有l0dB。

5.声音三要素
声音的强弱、音调的高低和音色的好坏，称为声音三要素。

声音的强弱可用声压级、声强级及响度级描述。

音调的高低取决于声音的频率，频率越高，音调越高。

相同的频率变化对人耳总是产生相同的音调变化感觉。

例如，把频率提高一个倍频程，从250Hz变到
500Hz，或从2000Hz变到4000Hz，在音乐中均提高了“八度音”程。

复音音调的高低，还与该复音的频谱有关。

音色反映了复音的一种特性，它主要取决于复音的频率成分及其强度，即由频谱决定。

乐音也是一种复音。

在乐音中，频率最低的声音称为基音，可据此来判断音调。

频率是基音的整数倍的声音称为泛音。

乐音的音色就是由声源所发出的泛音的数目，泛音的频率和强度所决定的。

不同的乐器的基音和泛音不同，所以具有不同的音色。

乐音的频谱为线状谱。