001聲學基礎(chǔ)

1、音視頻工程培訓 之 聲學基礎(chǔ) Acoustics Basic,2024/3/25,2,什么是聲音？,聲音(sound)是一種機械波，聲源的振動產(chǎn)生了聲音。聲源的振動讓周圍的空氣產(chǎn)生疏密變化，并像彈簧一樣將這種變化傳遞出去。空氣中傳播的聲波（sound wave）是一種縱波，介質(zhì)沿著聲波的傳播方向前后振動。,2024/3/25,3,聲速,聲速是聲波傳播的速度。在空氣中，影響聲速的主要是溫度

2、和濕度。溫度和濕度的升高都會導致聲速的增大。聲速v與攝氏溫度t的近似關(guān)系為： v=331.3+0.6t （m/s）,2024/3/25,4,聲波的頻率,聲波每秒鐘振動的次數(shù)叫做聲波的頻率，單位是赫茲（Hz）。人耳能聽到的聲波頻率從20Hz-20kHz，這個頻率段叫做音頻。振動頻率低于20Hz的聲波叫做次聲波；振動頻率高于20kHz的聲波叫做超聲波。,2024/3/25,5,聲波

3、的波長,聲波的波長等于聲速和頻率的比值，它是聲波在一個周期內(nèi)所經(jīng)過的距離，單位是米（m）。人耳能聽到的聲波頻率從20Hz-20kHz，在20℃的空氣中（聲速約為344米），對應(yīng)的波長約為17.2米-1.72厘米。,2024/3/25,6,5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3,500Hz

4、 3000Hz 510Hz 3010Hz,試聽,讓我們聽一下不同頻率的聲波。,,,,,,,,,,20Hz 100Hz 500Hz 1000Hz 3000Hz 8000Hz 14000Hz 20000Hz,,,停止播放,,,,,,,,,,,,,,392Hz、4

5、40Hz、494Hz、523Hz、587Hz、659Hz、698Hz、784Hz、880Hz、988Hz、1047Hz、1175Hz、1329Hz、,八度、倍頻程（Octave）。,2024/3/25,7,音色與諧波,前面聽到的都是接近純音（單一頻率正弦波）的聲音。自然界中，幾乎不存在純音，我們聽到的聲音都是由不同頻率的聲波復(fù)合而成。即使是樂器在演奏某個音符的時候，有著固定的音高，這些音節(jié)也是由基波和諧波組成的。,2024/

6、3/25,8,音色與諧波,樂音可以看成有著固定音高的聲音，它的組成是一個決定音高的基波，和一群頻率為基波倍數(shù)的諧波，這是因為對于大部分樂器來說，音高是通過共振產(chǎn)生的。奇數(shù)倍的諧波叫做奇次諧波，偶數(shù)倍的諧波叫做偶次諧波。種種不同的組合產(chǎn)生了不同的音色。,,,,,,,2024/3/25,9,頻譜和噪音,如果我們將一個聲音中的不同頻率成分展開，就形成了頻譜。樂音的頻譜是離散而有規(guī)律的。噪音的頻譜是連續(xù)而無規(guī)律的。噪音中的基波和諧波

7、太多，沒有固定的音高。噪聲是有用的。我們今后會經(jīng)常接觸到幾種噪聲，比如白噪聲、粉紅噪聲，之所以這么稱呼它們，是因為它們的頻譜看起來很像白光或者粉紅光的光譜。,2024/3/25,10,聲壓,空氣中，聲波的擾動會導致大氣壓的變化。聲波產(chǎn)生的逾量壓強的有效值（RMS），叫做聲壓。聲壓是一個標量，便于測量，且與人耳聽到的音量大小最為相關(guān)，是聲學最常用的物理量。聲壓的單位是帕斯卡，簡稱帕，符號是Pa。人耳能聽到的最小聲壓（聽閾）約為

8、20μPa，人耳能承受的最大聲壓（痛閾）約為64Pa。,2024/3/25,11,聲壓級,人耳的聽閾到痛閾的聲壓變化范圍有106之大，為便于計量，我們采用聲壓級（Sound Pressure Level，SPL）來描述聲壓的大小。,P是實際聲壓，Pref是參考聲壓（聽閾，20μPa）。聲壓級的單位是分貝（dB SPL）,2024/3/25,12,聲壓級,請計算下列聲壓所對應(yīng)的聲壓級： 1、聽閾，20μPa； 2、痛閾，

9、64Pa； 3、1Pa、2Pa、20Pa、 4、10μPa、2μPa。,人的聽閾是0dB，痛閾是130dB；聲壓加倍，聲壓級增加6dB；聲壓級增大10倍，聲壓級增加20dB；聲壓小于聽閾，聲壓級為負數(shù)。,2024/3/25,13,聲壓級,日常生活中的聲壓級聲壓級的測量工程中的聲壓級,2024/3/25,14,等響度曲線,前面提到，人耳能聽到的最小聲壓（聽閾）約為20μPa，事實上，這個數(shù)值大約是人耳在1000H

10、z處的聽閾，人耳的真實聽閾是隨頻率變化而變化的。,2024/3/25,15,計權(quán),同樣的聲壓級，不同的頻率，會給人以不同響度的感覺。人們根據(jù)等響度曲線，在聲級計中加入了計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，為的是建立起客觀數(shù)據(jù)和主管感覺之間的聯(lián)系。聲級計中，一般有A、C兩種計權(quán)方式。目前，A計權(quán)更廣泛地用于噪聲測量中，其測量結(jié)果通常用dB（A）來表示。在聲級計中，A計權(quán)模擬了人耳對低聲壓級的靈敏度頻率特性；C計權(quán)模擬了人耳對高聲壓級的靈敏度頻率特性。,

11、2024/3/25,16,雙耳定位,現(xiàn)實中，我們聽到身邊的聲音有方向感。首先同一個聲音到達人的兩只耳朵的時間不同，存在一個時間差。同時，同一個聲音雙耳聽來的響度也有不同，存在一個聲級差。700Hz以下主要依靠時間差定位，從700Hz到2.8kHz的頻率段完成聲級差定位的過渡。,2024/3/25,17,立體聲,最常見的雙聲道（L、R）立體聲使用兩個獨立的通道，記錄下具有強度差的信號，通過兩個獨立的放大還原通道，分別驅(qū)動左聲道

12、和右聲道的音箱，從而給人展現(xiàn)出一個具有方向感的聲音。具有良好方位感的立體聲應(yīng)當是分通道錄制的。目前的5.1聲道環(huán)繞立體聲包含了六個獨立的聲音通道，但是先進的環(huán)繞聲可以做到22.2聲道。,2024/3/25,18,心理聲學效應(yīng),掩蔽效應(yīng)：當一個聲音的強度遠比另一個聲音大，人們只能聽到響的那個聲音存在，而覺察不到另一個聲音存在。哈斯效應(yīng)：兩個相同的聲音一前一后到達人耳時，如果時間差在35ms以內(nèi)，則只會聽到一個聲音；時間差大于35

13、ms，則會聽到兩個聲音。雙耳效應(yīng)、勞氏效應(yīng)、德·波埃效應(yīng)、李開試驗等,2024/3/25,19,聲源的類型,點聲源線聲源面聲源,,,2024/3/25,20,點聲源-聲壓級的衰減,自由場中，聲音近大遠小，主要有兩個原因。一方面，總的聲功率不變的前提下，單位面積內(nèi)的聲功率隨著距離的增加而減?。涣硪环矫?，空氣的吸收也會導致聲壓級下降，尤其是高頻的下降。所以，距離聲源越遠，聲音越小，而且音色越暗淡。點聲源的聲壓級衰減遵循

14、以下公式： 其中，Dref為參考距離，Pref為參考距離處的聲壓級，D為待求距離。,2024/3/25,21,點聲源-聲壓級的衰減,計算題。 某100Hz點聲源，位于自由聲場中，距其1米處測得的聲壓級為100dB SPL，不考慮空氣吸收，試求2米、4米、8米、16米處的聲壓級分別是多少？,距離每增加或減少一倍，聲壓級降低或升高6dB。對于聲壓來說，6dB的聲壓級變化相當于壓強變化了一倍（或一

15、半）。專業(yè)音箱一般都會給出1米處的最大聲壓級指標，以方便計算投射到觀眾席位的聲壓級。這種計算方法僅限于不存在反射面的自由聲場，在實際的廳堂中，我們需要依靠其它方法來計算觀眾席位處的聲壓級大小。,2024/3/25,22,聲波的反射、透射、折射,聲波傳輸中，碰到障礙物，會產(chǎn)生反射。從有界區(qū)域到無界區(qū)域的聲波，也會在交界面產(chǎn)生反射。部分碰到障礙物的聲波還會發(fā)生透射，透射的聲波會穿過障礙物繼續(xù)前進。聲波斜射到兩種不同介質(zhì)交界面

16、上時，會發(fā)生折射，空氣中，聲波的傳播方向朝冷的地方彎曲。,2024/3/25,23,聲波的衍射,聲波在傳輸過程中碰到障礙物邊緣或孔隙時，其傳播方向會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做衍射。衍射也叫繞射，它的效果與障礙物及聲波的波長尺寸比例有關(guān)。對于喇叭來說，衍射產(chǎn)生了聲短路，使我們必須將喇叭安裝在箱體內(nèi)。,,2024/3/25,24,聲波的疊加,線性疊加原理：當多列聲波在傳輸過程中相交時，質(zhì)點的運動受多列波振動的共同影響。但是每列波仍

17、然保有自己的特性，并沿著自己的傳播方向繼續(xù)進行下去。非相干聲源：聲波互相無關(guān)，比如不同樂器同時演奏，或者同個揚聲器的直達聲和多次反射聲。非相干聲波的疊加是有效值的疊加。相干聲源：聲波存在共性，比如原聲與反射聲，或是同一個信號源驅(qū)動的多個音箱等。相干聲波的疊加是瞬時值的疊加。,2024/3/25,25,聲波的疊加,非相干聲源的聲壓疊加公式：兩個歌手分別以94dB的聲壓級（對某聽音位置而言）進行演唱，則聽音位置的總聲壓級大

18、小？ 兩個等幅非相干聲源的疊加，聲壓增加√2倍，聲壓級增加3dB。,2024/3/25,26,聲波的疊加,相干聲源的聲壓疊加。請計算，在人的位置產(chǎn)生聲壓振幅同為P的兩個聲源，到達時間差為1ms。求250Hz、500Hz和1000Hz時的疊加聲壓振幅。,,,,,,50ms,51ms,2024/3/25,27,聲波的疊

19、加,等幅相干波的疊加有兩種極端情況：1、兩列波相位完全相同，振幅疊加為單個波的2倍；2、兩列波相位完全相反，振幅疊加后為0。疊加的結(jié)果與頻率和時間差（距離差）有關(guān)。下面，讓我們將這種情況放大到一個聲場中。,2024/3/25,28,聲波的干涉,兩個相干聲源的聲波在空間中疊加，由于時間差（相位差）的存在，出現(xiàn)固定的相加和相消區(qū)域。這種現(xiàn)象叫做聲波的干涉。,,2024/3/25,29,聲波的干涉,同時，在相同的距離差下，不同波長

20、的聲波有的可能完全疊加，有的可能完全抵消，這導致處于相干聲源覆蓋下同一個位置的聲壓振幅隨著頻率的變化產(chǎn)生波動。這種現(xiàn)象叫做梳狀濾波效應(yīng)。想想看，還有什么樣的情況會產(chǎn)生干涉和梳狀濾波效應(yīng)？,2024/3/25,30,共振模式、駐波,在兩個反射面之間，聲音會產(chǎn)生來回反射，半波長的倍數(shù)等于間距的聲音，會形成駐波，或者說是一種共振模式。如圖：,2024/3/25,31,封閉房間內(nèi)的聲場,下面，讓我們將注意力從自由場轉(zhuǎn)移到室內(nèi)聲場

21、。首先，來看一個典型的室內(nèi)聲場的聲音組成部分。,,,,,,,,,,,直達聲早期反射聲（近次反射聲）混響聲,2024/3/25,32,直達聲、早期反射聲、混響聲,無論是不是自由聲場，對于直達聲來說，它沒經(jīng)過反射，因而遵循反比平方定律。直達聲讓我們聽得清晰。早期反射聲一般取直達聲到達之后50ms內(nèi)到達的聲音。延遲幾毫秒的早期反射聲和直達聲形成干涉，影響聽感；早期反射聲難以和直達聲區(qū)分，可以增加聽感的響度和明晰度。某些室內(nèi)場所不具有早

22、期反射聲?；祉懧暯?jīng)過多次反射（20次以上），在房間中擴散得比較均勻，可以認為混響聲場處處相等?；祉懧曇环矫孀屛覀冇X得聲音豐滿而融合，另一方面又讓清晰度下降。某些室內(nèi)場所不具有混響聲。,2024/3/25,33,混響半徑（臨界距離）,直達聲：近大遠小,,,混響聲：處處相等,,,室內(nèi)聲場：近處直達聲為主，近大遠??；遠處混響聲為主，處處相等。,混響半徑（臨界距離）,,2024/3/25,34,吸聲材料,能夠吸收聲能的材料叫做吸聲材料。

23、吸聲材料對不同頻率的聲音，吸收能力是不同的。吸聲系數(shù)a是衡量材料吸聲能力的指標，全反射材料的a=0，全吸收材料的a=1。測定一個材料的吸聲系數(shù)，一般有駐波管法和消聲室法兩種。,2024/3/25,35,吸聲材料,吸聲材料按工作原理主要分為兩類：多孔性吸聲材料：多孔吸聲材料包含大量微孔，振動的空氣分子通過孔隙與材料發(fā)生摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化成熱能。常見的多孔吸聲材料如地毯、窗簾、高密度巖棉等。多孔吸聲材料一般對中高頻的吸聲效果明顯

24、。共振式吸聲結(jié)構(gòu)：封有空氣層的薄板、薄膜結(jié)構(gòu)或純粹的空腔共振結(jié)構(gòu)（亥姆霍茲共振腔），通過共振將聲能借由摩擦阻力消耗掉。共振吸聲結(jié)構(gòu)一般對于中低頻有良好的吸聲能力。,2024/3/25,36,混響時間,房間中聲音停止后，聲能量衰減到原來的百萬分之一（60dB）所需要的時間，叫做混響時間，簡稱RT60。混響時間長的房間，聲學上叫做活躍的房間；混響時間短的房間，聲學上叫做寂靜的房間?；祉憰r間是一個房間最重要的聲學參數(shù)，為了獲得混響

25、時間的計算方法，聲學前輩付出了畢生的心血。,2024/3/25,37,混響時間公式,賽賓（Sabine）公式： V代表房間的容積，S代表房間的總表面積，a是房間的平均吸聲系數(shù)。艾潤（Eyring）公式： 和艾潤公式相比，賽賓公式形式簡單，適用于平均吸聲系數(shù)a＜0.2的場所。,2024/3/25,38,“大房間”和“小房間”,上述混響時間公式都是建立在統(tǒng)計聲學的基礎(chǔ)上，本身具有誤差。