聲學(xué)知識(shí)

1、聲學(xué)知識(shí)培訓(xùn)(1),定制人員:胡小鵬 審核人員: 實(shí)施日期:,培訓(xùn)目的,通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，您將能夠：聲音人耳聽(tīng)覺(jué)特性人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍聲音的要素人耳的幾種效應(yīng)適用對(duì)象：對(duì)音頻媒體感興趣的人,培訓(xùn)大綱,聲音和聲波、聲壓、聲速、頻率、周期、波長(zhǎng)，聲功率\聲強(qiáng)\聲級(jí)聽(tīng)力范圍音高、響度、音色掩蔽效應(yīng)、雙耳效應(yīng)、主觀(guān)音、雞尾酒會(huì)效應(yīng)、哈斯效應(yīng),聲音和聲波,聲波與

2、聲音是兩個(gè)有聯(lián)系, 又有區(qū)別的概念。聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，振動(dòng)發(fā)聲的物體—聲源。聲音可以通過(guò)固體、液體、氣體等媒質(zhì)傳播。本質(zhì)是能量的傳播在空氣中，聲源的振動(dòng)會(huì)使周?chē)目諝赓|(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生一定的疏密變化，并以一定的速度傳播出去形成聲波。（波動(dòng)是振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播）,聲音和聲波,聲音是聲源振動(dòng)引起的聲波傳播到聽(tīng)覺(jué)器官所產(chǎn)生的感受. 可見(jiàn), 聲音是由聲源振動(dòng), 聲波傳播和聽(tīng)覺(jué)感受3個(gè)環(huán)節(jié)所形成的. 揚(yáng)聲器發(fā)聲時(shí), 會(huì)引起周

3、圍空氣的振動(dòng)而產(chǎn)生聲波, 其傳播方向與空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相同. 因而, 聲波在空氣中是一種縱波.,聲強(qiáng),聲波平均能流密度的大小叫聲強(qiáng)。 聲傳播時(shí)也伴隨著能量的傳播．用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于聲波傳播方向的單位面積的能量(聲波的能量流密度)表示． 聲強(qiáng)是矢量，單位為W/m2（瓦/平方米）。,聲強(qiáng),聲強(qiáng)的大小與聲速、聲波的頻率的平方、振幅的平方成正比。 超聲波的聲強(qiáng)大是因?yàn)槠漕l率很高，

4、炸彈爆炸的聲強(qiáng)大是因?yàn)檎穹蟆?聲強(qiáng),聲音強(qiáng)度，以能量來(lái)計(jì)算稱(chēng)聲強(qiáng)，以壓力計(jì)算表示時(shí)稱(chēng)聲壓。聲強(qiáng)（I）與聲壓（P）的關(guān)系為： I=（P^2）/(ρv) 其中ρ-介質(zhì)密度，v-聲速,聲功率,聲強(qiáng)對(duì)面積積分，則為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定面積的聲波能量，因具有功率的單位，又叫做聲功率。 聲功率通常還很小，一個(gè)人說(shuō)話(huà)的聲功率僅約10^-5W，故一千萬(wàn)人同時(shí)說(shuō)話(huà)，也只100W。人們發(fā)聲所消耗的能量絕大部分均轉(zhuǎn)化為其他形

5、式例如熱運(yùn)動(dòng)的能量，用于發(fā)聲的僅約1% 。,聲功率,聲壓,聲壓 （sound pressure） 原有大氣壓的基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了一個(gè)隨聲波變化的交變壓強(qiáng)，此交變壓強(qiáng)即為聲壓。聲壓常用字母 "p" 表示，在國(guó)際單位制中，聲壓的衡量單位是帕斯卡（符號(hào)Pa）。,人耳剛好能聽(tīng)到的聲壓約為,聲壓,聲壓的大小表示聲波的強(qiáng)弱. 大氣靜止時(shí)存在著一個(gè)壓力, 稱(chēng)為大氣壓強(qiáng), 簡(jiǎn)稱(chēng)氣壓. 當(dāng)有聲波存在時(shí),

6、局部空間產(chǎn)生壓縮或膨脹, 在壓縮的地方壓力增加, 在膨脹的地方, 壓力減小, 于是就在原來(lái)的靜態(tài)氣壓上附加了一個(gè)壓力的起伏變化. 這個(gè)由聲波引起的交變壓強(qiáng)稱(chēng)為聲壓. 在一定時(shí)間內(nèi), 瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間取均方根值稱(chēng)為有效聲壓. 用電子儀表測(cè)量得到的通常是有效聲壓, 人們習(xí)慣上講的聲壓實(shí)際上也是有效聲壓.,聲壓,聲壓示意圖: 1.無(wú)聲 2.可聞音 3.大氣壓 4.瞬時(shí)聲壓,聲壓級(jí),聲壓級(jí)（SPL sound pressure

7、levels ） 人耳有一個(gè)的特點(diǎn), 主觀(guān)感受的響度并不是正比于聲壓的絕對(duì)值, 而是大體上正比于聲壓的對(duì)數(shù)值. 為此, 在聲學(xué)中還用聲壓級(jí)來(lái)描述聲波的強(qiáng)弱, 用符號(hào)SPL表示, 單位為dB(分貝). 聲壓級(jí)定義如下:,式中Pe為聲壓有效值, Pr為參考聲壓, 人耳能聽(tīng)到的最弱聲音, 即參考聲壓級(jí)為0 dB. 人類(lèi)的對(duì)于 1KHz 的聲音的聽(tīng)閾（即產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)的最低聲壓）,聲壓級(jí),聲壓級(jí)增加10分貝，人們感到響度約增加一倍

8、. 一般情況下，音量達(dá) 100dB 時(shí)，時(shí)間較長(zhǎng)可造成不可恢復(fù)性聽(tīng)力損傷；當(dāng)音量高達(dá)110分貝時(shí)，足以使內(nèi)耳毛細(xì)胞死亡，嚴(yán)重者會(huì)造成聽(tīng)力喪失。實(shí)際上，任何高于85分貝的聲音都能造成聽(tīng)力損傷，每天8個(gè)小時(shí)90分貝，足以造成逐步和不可逆轉(zhuǎn)的聽(tīng)力損傷,聲壓級(jí),聲壓級(jí),,聲速 頻率 波長(zhǎng),聲速:聲波在一秒內(nèi)傳播的距離為聲速，以C表示，單位是 m/s （米／秒）；常溫（15度）時(shí)，C=340 m/s 。空氣中聲速：c = 331.

9、45 + 0.61t 取室溫：340m/s頻率:聲波在一秒內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)為頻率，以f 表示，單位是 Hz；1KHz=1000Hz 。周期性振動(dòng)完成一次振動(dòng)所需的時(shí)間為周期，以T表示，單位是s（秒）。頻率和周期互為倒數(shù) T=1/ f ；波長(zhǎng):聲波每振動(dòng)一次所走過(guò)的距離為波長(zhǎng)，以λ表示，單位是m（米）,聲速 頻率 波長(zhǎng),聲速與媒質(zhì)的密度, 彈性等因素有關(guān), 而與聲波的頻率, 強(qiáng)度無(wú)關(guān). 當(dāng)溫度改變時(shí), 由于媒質(zhì)特性的變化, 聲速也會(huì)發(fā)生變

10、化. 當(dāng)溫度為15 ℃時(shí), 聲波在空氣, 水和鋼中的聲速分別為340 m/s, 1 450 m/s和5 100 m/s. 當(dāng)溫度升高時(shí), 聲速略有增加.,頻率和振幅,,,,,,,distance,,Velocity c,,,,,Wavelength l,,,,,PeriodT,,,Pressure,Time,,f (Hz),Wave number may be thoughtas spatial Frequency

11、波數(shù)也被稱(chēng)為空間頻率,T is the period of propagating wave. f is the number of pressure variation per second.T=周期 f =頻率，即單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)波矢量k 角頻率ω,Sound wave in a tube,,,,,聲波的兩個(gè)基本特征量是頻率和振幅,波長(zhǎng)和頻率,我們可以到，高頻率的聲音對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)短，低頻率的聲音對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)長(zhǎng)。,頻率,

12、采樣定理 采樣頻率的高低是根據(jù)奈奎斯特理論（香農(nóng)采樣定理）和聲音信號(hào)本身的最高頻率決定的。 fs >= 2F F為聲音信號(hào)本身的最高頻率采樣頻率高于信號(hào)帶寬的一倍，那么，原來(lái)的連續(xù)信號(hào)可以從采樣樣本中完全重建出來(lái)。通訊與信號(hào)處理學(xué)科中的一個(gè)重要基本結(jié)論。,人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍,人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍 人耳對(duì)不同強(qiáng)度、不同頻率聲音的聽(tīng)覺(jué)范圍稱(chēng)為聲20Hz～20KHz為可聽(tīng)聲；低于20Hz為次

13、聲；高于20KHz為超聲青年人1000Hz 、0dB--聽(tīng)閥；1000Hz 、120dB--痛閥。 以上是以1K純音為準(zhǔn),人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍,其他頻率可聽(tīng)聲的聽(tīng)力閥和痛閥與1000Hz聲音不同，低于1000Hz和高于4000Hz的聽(tīng)閥都高于0dB，即人耳對(duì)它們的靈敏度較差；聽(tīng)閥曲線(xiàn)最低的是3000～4000Hz的聲音。,人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍,,人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍,聽(tīng)覺(jué)心理要素,聲音的聽(tīng)覺(jué)心理主觀(guān)感受主要有：音高、響度、音色特性，又稱(chēng)為

14、聲音“三要素”。,音高,音高：音調(diào)也稱(chēng)音高調(diào)，表示人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀(guān)感受，客觀(guān)上音高大小主要取決于聲波基頻的高低，頻率高則音調(diào)高，反之則低，單位用赫茲(Hz)表示。 音調(diào)的變化與頻率的關(guān)系是對(duì)數(shù)關(guān)系，頻率每高一倍(一個(gè)倍頻程）、音調(diào)就高一個(gè)八度。音調(diào)的單位是“美”，通常定義響度為40方的1kHz純音的音高為1000美，赫茲與“美”同樣是表示音高的兩個(gè)不同概念的單位。,音高,音高同樣也依賴(lài)聲音的振幅，尤其是聲頻偏

15、低的時(shí)候。譬如低音符發(fā)出的音量越大，感受到的音高越低。和其他感官知覺(jué)一般，某些相似的音高亦會(huì)迷惑聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，導(dǎo)致聽(tīng)覺(jué)錯(cuò)覺(jué)產(chǎn)生。,音高,頻率每高一倍(一個(gè)倍頻程）、音調(diào)就高一個(gè)八度。,響度,響度：是與聲強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的聲音大小的知覺(jué)量。聲強(qiáng)是客觀(guān)的物理量，響度是主觀(guān)的心理量。響度不僅跟聲強(qiáng)有關(guān)，還跟頻率有關(guān)。 響度受聲強(qiáng)制約，聲強(qiáng)級(jí)提高，響度級(jí)一般也要提高。 響度不僅和聲強(qiáng)有關(guān)，還和頻率有關(guān)，聲強(qiáng)級(jí)

16、相同的純音，頻率不同，響度級(jí)也不相同。,響度,當(dāng)聲音減弱到人耳剛剛可以聽(tīng)見(jiàn)時(shí)，此時(shí)的聲音強(qiáng)度稱(chēng)為“聽(tīng)閾”；當(dāng)聲音增強(qiáng)到使人耳感到疼痛時(shí)，這個(gè)閾值稱(chēng)為“痛閾”，聽(tīng)閾和痛閾隨聲壓和頻率的變化而變化。聽(tīng)閾和痛閾隨頻率變化的曲線(xiàn)叫“等響度曲線(xiàn)” 響度的數(shù)量標(biāo)度單位是宋（Sone）。響度為2宋的聲音比1宋的聲音響兩倍，1宋的聲音又比0.5宋的聲音響兩倍。1宋等于頻率為1000Hz、聲壓級(jí)為40dB的純音的響度。,響度,人耳的

17、可聽(tīng)閥是一個(gè)類(lèi)似“V”字形曲線(xiàn)，除中音外，對(duì)高音和低音都不夠 敏感，要感到同樣響度，高音和低音需要較大的聲壓級(jí)。例如，200Hz的30dB的聲音和1kHz的10dB的聲音在人耳聽(tīng)起來(lái)具有相同的響度，這就是所謂的“等響度”。,響度,,響度,對(duì)于1kHz純音，0dB-20dB為寧?kù)o聲，30dB--40dB為微弱聲，50dB-70dB為正常聲，80dB-100dB為響音聲，110dB-130dB為極響聲。而對(duì)于1kHz以外的可聽(tīng)聲，在同一級(jí)

18、等響度曲線(xiàn)上有無(wú)數(shù)個(gè)等效的聲壓-頻率值。,響度,當(dāng)聲壓發(fā)生變化時(shí), 人們聽(tīng)到的響度會(huì)有變化. 例如聲壓級(jí)在50 dB以上時(shí), 人耳能分辨出的最小聲壓級(jí)差約為1 dB； 而聲壓級(jí)小于40 dB時(shí), 要變化1～3 dB才能覺(jué)察出來(lái).,音色,音色： 是聲音的特色，根據(jù)不同的音色，即使在同一音高和同一聲音強(qiáng)度的情況下，也能區(qū)分出是不同樂(lè)器或人聲發(fā)出的。同樣的音量和音配上不同的音色就好比同樣色度和明度配上不同的色相的感覺(jué)一樣。,

19、音色,音色的不同取決于不同的泛音，每一種樂(lè)器、不同的人以及所有能發(fā)聲的物體發(fā)出的聲音，除了一個(gè)基音外，還有許多不同頻率的泛音伴隨，正是這些泛音決定了其不同的音色，使人能辨別出是不同的樂(lè)器甚至不同的人發(fā)出的聲音。每一個(gè)人即使說(shuō)話(huà)也有不同的音色，因此可以根據(jù)其聲音辨別出是不同的人。,音色,根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)原理，周期函數(shù)都可展開(kāi)為一組常數(shù)與有共同周期的正弦和余弦之和。常數(shù)為直流分量，最小正周期為基波或一次諧波，它的位數(shù)稱(chēng)之為高次諧波。

20、 基頻決定音高，諧波決定音色。,音色,聲音的音色色彩紛呈，變化萬(wàn)千，高保真(Hi-Fi)音響的目標(biāo)就是要盡可能準(zhǔn)確地傳輸、還原重建原始聲場(chǎng)的一切特征，使人們真實(shí)地感受到諸如聲源定位感、空間包圍感、層次厚度感等各種臨場(chǎng)聽(tīng)感的立體環(huán)繞聲效果。,音色,,音值,又稱(chēng)時(shí)值。指音延續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短，由發(fā)音體振動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短決定。,,波譜查看分析儀,人耳的幾種效應(yīng),掩蔽效應(yīng)雙耳效應(yīng)主觀(guān)音雞尾酒會(huì)效應(yīng)哈斯效應(yīng),掩蔽效應(yīng),其它聲（噪聲）的存在，使得

21、人們對(duì)目標(biāo)聲音的聽(tīng)力降低。其規(guī)律如下：1、低頻聲易掩蔽高頻聲，而高頻聲不易掩蔽低頻聲。2、掩蔽聲的聲壓級(jí)越高，掩蔽能力越強(qiáng)，頻帶也越寬。3、掩蔽聲的頻帶越寬，對(duì)目標(biāo)聲掩蔽的頻帶越寬。4、掩蔽聲與目標(biāo)聲的頻率越接近，掩蔽能力也越強(qiáng)。5、頻率相近的純音容易掩蔽，但過(guò)于接近則會(huì)產(chǎn)生差拍，反而使掩蔽減弱。,掩蔽效應(yīng),靜音門(mén)限和掩蔽門(mén)限（灰色區(qū)域中的聲音聽(tīng)不到）,雙耳效應(yīng),1、雙耳可聽(tīng)到比單耳更小的聲音，差值3dB；聲壓35dB以上時(shí)差

22、值6dB。2、雙耳可正確的確定音源的方位，但隨著聲音的性質(zhì)和周?chē)那闆r而改變。 時(shí)間差效應(yīng)，聲強(qiáng)差效應(yīng) 相位差 音色差 人耳區(qū)分回聲和原聲的最短時(shí)間間隔是0.1秒。,主觀(guān)音,當(dāng)聲音變強(qiáng)時(shí)，人耳會(huì)感覺(jué)到原來(lái)聲音中所沒(méi)有的頻率聲音，這是因?yàn)槿硕袀鬏斅曇舻臋C(jī)構(gòu)有非線(xiàn)性而產(chǎn)生了失真，除了基音外，還會(huì)產(chǎn)生各種諧音及它們的和音和差音。聲音越強(qiáng)諧波的次數(shù)越高。,雞尾酒會(huì)效應(yīng),人們具有能從眾多聲音中選擇出自己要聽(tīng)的聲音的能

23、力，如在雞尾酒會(huì)的嘈雜環(huán)境中能聽(tīng)到特定的人的講話(huà)，而從錄音中其他人卻很難聽(tīng)清。 在遠(yuǎn)處突然有人叫自己的名字時(shí)，我們會(huì)馬上注意到。又比如，在周?chē)徽劦恼Z(yǔ)言都不是我們的母語(yǔ)時(shí)，我們可以注意到較遠(yuǎn)處以母語(yǔ)說(shuō)出的話(huà)語(yǔ)。我們所注意的聲源所發(fā)的音量，感覺(jué)上會(huì)是其他同音量的聲源的三倍。,哈斯效應(yīng),如果延遲聲的聲壓級(jí)小于先導(dǎo)聲，無(wú)論延遲聲的來(lái)向如何，只要延遲聲遲于先導(dǎo)聲17ms，就不會(huì)感到延遲聲的存在。 當(dāng)延遲聲的

24、方向接近先導(dǎo)聲時(shí)，即使延遲30ms，也不會(huì)感到延遲聲的存在。 當(dāng)延遲時(shí)間達(dá)到25～50ms，延遲聲才會(huì)被感覺(jué)到，但與先導(dǎo)聲之間仍不能被分開(kāi)當(dāng)延遲時(shí)間超過(guò)50ms時(shí)，才會(huì)感到延遲聲的存在。,哈斯效應(yīng),在一般劇場(chǎng)擴(kuò)聲設(shè)計(jì)中，為了提高聲場(chǎng)的均勻度和利用揚(yáng)聲器的方向性來(lái)提高系統(tǒng)的傳聲增益，通常將主揚(yáng)聲器設(shè)置在舞臺(tái)臺(tái)口上方，此時(shí)觀(guān)眾席的前排觀(guān)眾就會(huì)感覺(jué)到聲音是從舞臺(tái)臺(tái)口的頂部傳來(lái)的，造成聲像的不統(tǒng)一，為了解決這個(gè)問(wèn)題，有時(shí)會(huì)在舞臺(tái)