第2章声学基础

. 声源平面定位 年, 英国物理学家瑞利提出了双耳效应假设. 随后, 有关学者经过半个世纪的深入研究, 证实并发展了这一 理论. 双耳效应理论揭示了人类听觉能在平面范围内判 别声音方位的机理. 它是从时间差, 相位差, 声级差, 音 色差个方面进行解释的.
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图 双耳效应
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图 钢琴和黑管各奏出以 为基音的乐音频谱图
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听觉灵敏度 听觉灵敏度是指人耳对声压, 频率及方位的微小变
化的判断能力. 当声压发生变化时, 人们听到的响度会有变化. 例
如声压级在 以上时, 人耳能分辨出的最小声压级差约 为 ； 而声压级小于 时, 要变化～ 才能觉察出来.
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我们以舞台上左右前后错开的各种乐器组成整个 乐队. 他们演奏时, 到达听众耳际的声音可分为三类:
第一类为直达声. 第二类为反射声. 第三类为混响声.
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.立体声的特点 与单声道重放声相比, 立体声具有一些显著的特点. （） 具有明显的方位感和分布感 用单声道放音时, 即使声源是一个乐队的演奏, 聆 听者仍会明确地感到声音是从扬声器一个点发出的. （） 具有较高的清晰度 用单声道放音时, 由于辨别不出各声音的方位, 各 个不同声源的声音混在一起, 受掩蔽效应的影响, 使听 音清晰度较低.
扬声器发声时, 会引起周围空气的振动而产生声波, 其传播方向与空气质点振动方向相同. 因而, 声波是一 种纵波.
２. 声音 声音是声源振动引起的声波传播到听觉器官所产生 的感受. 可见, 声音是由声源振动, 声波传播和听觉感受 个环节所形成的.
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声速, 波长和频率 声波能在空气, 液体及固体等媒质中传播, 但不能在
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. 声压级
人耳有一个很奇怪的特点, 主观感受的响度并不是 正比于声压的绝对值, 而是大体上正比于声压的对数值. 为此, 在声学中还用声压级来描述声波的强弱, 用符号 表示, 单位为(分贝). 声压级定义如下:
SPL20lgPe (dB)
()
P
式中为声压有效值, 为参考声压, 可见, 人耳能听到
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图 等响曲线
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. 音调 音调又称音高, 是指人耳对声音音调高低的主观感 受. 音调主要决定于声音的基波频率, 基频越高, 音调越 高； 同时还与声音的强度有关. 音调的单位是“美”, 频率为 , 声压级为 的纯音所产生的音调定义为美.
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音调与声音强度的非线性关系可由图 所示的曲线 来描述. 可以看出, 在低频段, 音调受声音强度变化的影 响较大.
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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. 一个较强的声音往往会掩盖住 一个较弱的声音, 特别是当这两个声音处于相同的频率 范围时.
掩蔽效应在音响技术中得到应用. 如一些降噪系统 就是利用掩蔽效应的原理设计的, 信噪比的概念及其指 标要求也是根据掩蔽效应提出来的. 在数字音源中, 可 利用掩蔽效应进行压缩编码.
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（） 具有较小的背景噪声 用单声道放音时, 由于背景噪声与有用声音都从一
个点发出, 所以背景噪声的影响较大. （） 具有较好的空间感, 包围感和临场感 立体声系统放音对原声场音响环境的感觉是单声道
放音所望尘莫及的. 这是因为立体声系统能比单声道系 统更好地传输近次反射声和混响声.
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立体声基本原理
立体声基本概念 . 立体声定义 立体声对我们来说并不陌生, 日常听到的自然界的
声音就是立体声. 如置身音乐厅欣赏那种此起彼伏的旋 律, 无不以美的魅力感染着我们.
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. 立体声成分 为了使重放立体声给人有身临其境的感觉, 必须了 解真实生活中节目演出现场的自然立体声是由哪些成 分构成的? 哪些成分是构成听众临场感的要素? 由于目 前立体声节目绝大多数是音乐, 歌曲, 戏剧, 因此, 仅以 音乐厅的立体声为例进行说明.
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. 声源距离定位 人耳对声源距离的定位, 在室外主要依靠声音的强 弱来判断, 在室内则主要依靠直达声与反射声, 混响声 在时间上, 强度上的差异等因素来判断.
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. 声源高度定位 声源的高度位置由声波在垂直面上的入射角（仰 角）和直线距离两个坐标量来确定. 直线距离的定位机 理与前面所阐述的相同, 而仰角定位是理论上尚未圆满 解决的问题.
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第章声学基础
声波的基本性质 听觉的基本特性 立体声基本原理 室内声学
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声波的基本性质
声波, 声音 声波与声音是两个有联系, 又有区别的概念. . 声波 物体的振动会引起周围媒质质点由近及远的波动,
称之为声波. 引起声波的物体称为声源. 传播声波的物 质称为媒质.
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气压. 当有声波存在时, 局部空间产生压缩或膨胀, 在压 缩的地方压力增加, 在膨胀的地方, 压力减小, 于是就在 原来的静态气压上附加了一个压力的起伏变化. 这个由 声波引起的交变压强称为声压.
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声压的大小表示声波的强弱. 在一定时间内, 瞬时 声压对时间取均方根值称为有效声压. 用电子仪表测量 得到的通常是有效声压, 人们习惯上讲的声压实际上也 是有效声压. 声压的国际单位是“”（帕）, ＝ , １大 气压＝ . 声压与大气压相比是极其微弱的. 正常人能听 到的最弱声音约为× , 称为参考声压, 用符号表示.
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双扬声器声像定位 聆听重放的立体声时, 听觉器官幻觉中的声源位置
称为声像. 声像是立体声技术研究的首要问题. 声像分 布, 声像清晰度是最终体现立体声效果的要素； 是研究 立体声系统, 设计立体声设备和指导放声布局及聆听方 法的重要依据.
听觉定位机理 人对声音方向的定位能力是由听觉的定位特性决
定的. 产生听觉定位的机理是复杂的, 其基本原因是声 音到达左右耳的时间差, 声级差, 进而引起相位差, 音色 差所造成的；也与优先效应, 耳壳效应等因素有关. 确 定一个声源的方位, 需要从平面, 距离, 高度个方面来定 位.
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图 音调变化与响度级的关系
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. 音色 音色是指人耳对声音特色的主观感受. 音色主要决 定于声音的频谱结构, 还与声音的响度, 音调, 持续时间, 建立过程及衰变过程等因素有关. 因而音色比响度, 音 调更复杂.
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声音的频谱结构用基频, 谐频数目, 幅度大小及相 位关系来描述. 不同的频谱结构, 就有不同的音色. 即使 基频相同, 音调相同, 但若谐频结构不同, 则音色也不同. 例如钢琴和黑管演奏同一音符时, 其音色是不同的, 因 为它们的谐频结构不同, 如图 所示.
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图 可闻声的强度与频率范围
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响度, 音调和音色 声音在物理上可以用声压的幅度, 频率和频谱个客
观参量来描述； 而在听觉上则常用响度, 音调和音色个 主观参量来描述, 俗称声音三要素.
. 响度 响度俗称音量, 是指人耳对声音强弱的主观感受. 响度不仅正比于声音强度的对数值, 而且与声音的频率 有关.
的最弱声音, 即参考声压级为 .
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反射, 绕射和干涉 声波在传播中会产生反射, 绕射和干涉等现象, 并具
有一定的传播规律. . 反射 声波从一种媒质进入另一种媒质的分界面时, 会产生
反射现象. 例如声波在空气中传播时, 若遇到坚硬的墙壁, 一部分声波将反射.如图 ()所示, 反射角等于入射角, 反 射声波好像从墙后的另一声源′发射出来一样, ′被称为声 像. 声像′与声源到墙壁的距离相等.
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当声波遇到凹面墙时, 其反射现象如图 ()所示. 声 源发出的声波经凹面墙反射后集中到′点, 称为声波的聚 焦. 当声波遇到凸面墙时, 将产生扩散反射现象, 如图 () 所示.
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图 – 声波的反射
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. 绕射 当声波遇到障碍物时, 会有一部分声波绕过障碍物 而继续向前传播, 这种现象称为绕射, 又称衍射. 绕射的 程度取决于声波的波长与障碍物大小之间的关系. 若声 波波长远大于障碍物线度尺寸, 则绕射现象非常显著； 若声波波长远小于障碍物线度尺寸, 则绕射现象较弱, 甚至不发生绕射. 因此, 对于同一个障碍物, 频率较低的 声波较易绕射, 而频率较高的声波不易绕射.
() 时间差
设声源在聆听者听觉平面的右前方较远处发声, 用 声线表示声波的传播方向, 如图 所示. 从右前方传来的 声音, 到达右耳的路径短, 到达左耳的路径长, 声音到达 两侧耳壳处的时间差可近似为
t l sin
()
c
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式中表示两耳距离； θ表示声源与人头中心线的夹 角, 称为平面入射角； 为声速. 设 ,
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. 干涉 干涉是指媒质的同一部分能够同时传播任意多个不 同的声波, 这些声波独立传播, 彼此互不干扰. 在任一时 刻, 媒质中微粒的位移是该时刻每一个单独声波对该微 粒产生位移的代数和.
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听觉的基本特性
可闻声, 听阈和痛域 可闻声, 听阈和痛域决定了人耳的听觉范围. . 可闻声 可闻声是指正常人可以听到的声音频率范围: ～ ,
称为音频. 以下称为次声, 以上称为超声. 在音频范围 内, 人耳对中频段～ 的声音最为灵敏, 对低频和高频段 的声音则比较迟钝. 对于次声和超声, 即使强度再大, 人 们也是听不到的.
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. 听阈和痛域 可闻声必须达到一定的强度才能被听到, 正常人能 听到的强度范围为～ . 使声音听得见的最低声压级称为 听阈, 它和声音的频率有关. 使耳朵感到疼痛的声压级称为痛域, 它与声音的频 率关系不大. 通常声压级达到 时, 人耳感到不舒适； 声 压级大于 时, 人耳感到疼痛； 声压级超过 时, 人耳会发 生急性损伤. 正常人的听觉范围如图 所示. 语言和音乐只占整 个听觉范围的很小一部分.
＝,则
Δ≈ θ ()
()
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() 由于传到两耳的声音存在时间差, 因而也会产生 相位差. 对于频率为的纯音, 相位差与时间差有如下关 系:
ΔΦπ·Δ
()
将( wenku.baidu.com和( )式代入上式, 可得
2l sin
()
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() 声级差 两耳虽然相距不远, 但是, 由于头颅的阻隔作用, 使 得从某方向传来的声音需要绕过头部才能到达离声源 较远的一只耳朵中去. 在传播过程中, 其声压级会有一 定程度的衰减, 使两侧耳壳处产生声级差. () 音色差 当声源不是单一频率的纯音, 而是一个复音时, 情 况要复杂些. 如一个乐器发出的声音, 可以分解为一个 基频声和许多谐频声.
第2章 声学基础
响度级 对于强度相同而频率不同的声音, 人们会 有不同的响度感觉. 例如频率为 和 的两个纯音, 声压均 为 , 听起来却不一样响, 感觉到后者比前者响得多.
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等响曲线 如上所述, 利用与基准音比较的实验方法, 测得一组一般人对不同频率的纯音感觉一样响的响度 级与频率及声压级之间的关系曲线, 称为等响曲线. 如 图 所示是国际标准化组织()推荐的等响曲线, 它是对大 量具有正常听力的年青人进行测量的统计结果, 反映了 人类对响度感觉的基本规律.
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. 波长和频率
声波在一个周期内传播的距离称为波长, 用符号λ 表示, 单位为. 声波在每秒钟内周期性振动的次数称为 频率, 用符号表示, 单位为. 声速, 波长和频率之间的关 系为
λ·
()
可见, 声波的频率越高, 则其波长越短.
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声压, 声压级 声波的强度可用声压, 声压级来定量描述. . 声压 大气静止时存在着一个压力, 称为大气压强, 简称
真空中传播. . 声速 声波在媒质中每秒钟内传播的距离称为声速, 用符
号表示, 单位为. 声速与媒质的密度, 弹性等因素有关, 而与声波的频率, 强度无关. 当温度改变时, 由于媒质特 性的变化, 声速也会发生变化.
当温度为 ℃时, 声波在空气, 水和钢中的声速分别 为 , 和 . 当温度升高时, 声速略有增加.