第一章 声学基本知识

声学基本知识

人们在日常生活中离不开声音。没有声音，人类社会的交流就不可想象。这些声音包括人们需要的、想听的，如优美动听的音乐、相互交流的言谈；也包括人们不想听的“噪声”。在声音的海洋中，人们是如何识别声音的呢?声音有三个要素：音量的大小、音调的高低、音色的于湿，它们都与声音的物理特性密切相关。这就要从声音的物理特性来了解。

声波的传输及其特性

声音是空气分子的振动。物体的振动引起空气分子相应的振动，传人人耳导致鼓膜振动，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。

一、声波的特性

1．声音的周期、频率、波长和声速

周期：声源完成一次振动所需要的时间称为周期，记作T，计量单位为：秒(s)。

频率：声源在1秒钟内振动的次数，记作f，计量单位为：赫兹(H z)。它是周期的倒数，即：f=l／T。

波长：沿声波传播方向，振动1个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间距离，记为λ，单位为m。

声速：声波每秒在介质中传播的距离，记作c，单位m/s。声速约为340m／s。

频率f、波长λ和声速c三者之间的关系是：c=λ*f

频率在20H z～20k H z之间为声波人耳可以感觉的，称为可听声，简称声音；频率大于20k H z称为超声波；频率小于20H z称为次声波。超声波和次声波人耳是听不到的，地震波和海啸都是次声波。有些动物的耳朵比人类要灵敏得多，如蝙蝠就能“听到”超声波。

2．频带

频带也称为“频段”，在扩声系统中，一般将介于次声和超声之间的可闻声频率划分为若干个区段，称为“频带”或“频段”。

3．声功率、声强和声压

声功率：声功率即声源总声功率，指单位时间内声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量，记作w，单位为w。

声强：在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的平均声能，称为声强，用I表示，单位为W／m2。人耳可听的声强变化范围为10—12～102W／m2。

声压：声压是由于声波的存在而引起的压力增值，介质中的压力与静压之差称为声压，用P表示，单位为P a。1P a=1N／m2。

4．分贝、声功率级、声强级和声压级

人们日常生活中的声音，由于变化范围非常大，可以达六个数量级以上，同时由于声强与声压的变化近似地与人耳感觉变化的对数值成正比，人们便在扩声系统中引入了“级”的概念。用分贝来表达声学量值。所谓分贝是指两个相同的物理量(例A1和A0)之比取以10为底的对数并乘以10(或20)。

N=10l g(A1／A0)分贝，符号为“d B”，它是无量纲的。

(1)声功率级

声功率以“级”表示便是声功率级，记作L w，单位为d B。

L w=l0l g(W／W。)

式中：L。——声功率级(d B)；W——声功率(w)；W。——参考声功率，为10-12W。

(2)声强级

声强以“级”表示便是声强级，记作L I，单位为d B。

L I=l0l g(I/I0)。

式中：L I——声强级(d B)；I声强(W／m2)；I0——参考声强，为10-12W／m2。

(3)声压级

声压级指实际声压和基准声压之比的20倍对数值，单位是d B。

L P=20l g P／P。

式中：L，——声压级(d B)；P——某点声压；P。——基准声压，以2×10-5N／m2为参

考值

5．声级的迭加

两个以上独立声源作用于某一点时，产生声级的迭加，若不考虑干涉效应，声能量是

可以代数相加的。总声功率和总声强可以相加,但声压的迭加，则不能进行简单的直接代数相加。作用于某一点的两个声源声压级相等时，其合成的总声压级比一个声源的声压级只增加3d B，而不是增加1倍。比如：100d B加100d B不是简单代数和，即200d B，而是103d B。当然，这一结论同样适用于声能密度和声压级的叠加。

二、声波的反射、折射、衍射和扩散

1．声波的反射

声波在同一介质中按一定方向传播，而在传播过程中遇到比波长大得多的障碍物时就会反射产生虚声源即声像。2．声的折射

声波在传播的过程中，遇到不同介质的分接口时，除了反射外，还会发生折射，从而改变声波的传播方向。

3．声的绕射

声波传播过程中遇到有小孔的障碍物时，并不像光线那样直线传播，而是以小孔处质点作为新声源，改变原来的传播方向产生绕射(衍射)。而且，声音频率越低，绕射现象越明显。

4．声的扩散

声波在传播过程中，如果遇到一些凸形的接口就会被分解成许多小的比较弱的反射声波，这种现象称为声扩散。

三、声波透射与吸收

声波入射到建筑构件时，声能的一部分被反射，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摩擦、传热而被损耗，我们称之为被材料吸收。

在进行建声设计时，经常作为选择各种装修材料的隔音、吸音特性的重要依据，以便对室内噪声进行控制。

听觉理论与声音的特性

由于客观条件、文化水平、心理状态和个人爱好的不同，人们对声音的主观要求也不一样，但最基本的需求则是一致的，即希望听到的声音非常清楚，而且要听得舒适、悦耳。因此，任何音频环境的建立，必须满足人们对声音的主观要求。要满足这些要求，首先要了解声音的特性和影响听觉效果的因素。

声音的物理量除频率和声压级外，还有各个频率声压级的综合量，它描述的声音某量(声强、声功率或声压级等)在其各频率的分布，称为这一声音的某量频谱。不同的声音有其各自的频谱。一个单一频率的简谐声信号称为纯音，若干个频率离散的简谐分量复合而成的信号称为复音。声音中很少存在单一频率的“纯音”，我们所听到的声音大都是各种频率的复合音，如乐器发出的单音就是周期性的复合音，语音则是非周期性的复合音。

声学的频带划分不是在线性标度的频率轴上等距离地划分，而是以各频带的频程数.

表1_1列举了国际标准化组织(I S0)和我国相关行业在音频倍频带和1／3倍频带的划分标准。