001聲學(xué)基礎(chǔ)

1、音視頻工程培訓(xùn) 之 聲學(xué)基礎(chǔ) Acoustics Basic,2024/3/25,2,什么是聲音？,聲音(sound)是一種機(jī)械波，聲源的振動(dòng)產(chǎn)生了聲音。聲源的振動(dòng)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(dòng)。,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(huì)導(dǎo)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(dòng)的次數(shù)叫做聲波的頻率，單位是赫茲（Hz）。人耳能聽(tīng)到的聲波頻率從20Hz-20kHz，這個(gè)頻率段叫做音頻。振動(dòng)頻率低于20Hz的聲波叫做次聲波；振動(dòng)頻率高于20kHz的聲波叫做超聲波。,2024/3/25,5,聲波

3、的波長(zhǎng),聲波的波長(zhǎng)等于聲速和頻率的比值，它是聲波在一個(gè)周期內(nèi)所經(jīng)過(guò)的距離，單位是米（m）。人耳能聽(tīng)到的聲波頻率從20Hz-20kHz，在20℃的空氣中（聲速約為344米），對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)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(tīng),讓我們聽(tīng)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(tīng)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(tīng)到的聲音都是由不同頻率的聲波復(fù)合而成。即使是樂(lè)器在演奏某個(gè)音符的時(shí)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(lè)音可以看成有著固定音高的聲音，它的組成是一個(gè)決定音高的基波，和一群頻率為基波倍數(shù)的諧波，這是因?yàn)閷?duì)于大部分樂(lè)器來(lái)說(shuō)，音高是通過(guò)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(gè)聲音中的不同頻率成分展開(kāi)，就形成了頻譜。樂(lè)音的頻譜是離散而有規(guī)律的。噪音的頻譜是連續(xù)而無(wú)規(guī)律的。噪音中的基波和諧波

7、太多，沒(méi)有固定的音高。噪聲是有用的。我們今后會(huì)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?yàn)樗鼈兊念l譜看起來(lái)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(dòng)會(huì)導(dǎo)致大氣壓的變化。聲波產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng)的有效值（RMS），叫做聲壓。聲壓是一個(gè)標(biāo)量，便于測(cè)量，且與人耳聽(tīng)到的音量大小最為相關(guān)，是聲學(xué)最常用的物理量。聲壓的單位是帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕，符號(hào)是Pa。人耳能聽(tīng)到的最小聲壓（聽(tīng)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(jí),人耳的聽(tīng)閾到痛閾的聲壓變化范圍有106之大，為便于計(jì)量，我們采用聲壓級(jí)（Sound Pressure Level，SPL）來(lái)描述聲壓的大小。,P是實(shí)際聲壓，Pref是參考聲壓（聽(tīng)閾，20μPa）。聲壓級(jí)的單位是分貝（dB SPL）,2024/3/25,12,聲壓級(jí),請(qǐng)計(jì)算下列聲壓所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)： 1、聽(tīng)閾，20μPa； 2、痛閾，

9、64Pa； 3、1Pa、2Pa、20Pa、 4、10μPa、2μPa。,人的聽(tīng)閾是0dB，痛閾是130dB；聲壓加倍，聲壓級(jí)增加6dB；聲壓級(jí)增大10倍，聲壓級(jí)增加20dB；聲壓小于聽(tīng)閾，聲壓級(jí)為負(fù)數(shù)。,2024/3/25,13,聲壓級(jí),日常生活中的聲壓級(jí)聲壓級(jí)的測(cè)量工程中的聲壓級(jí),2024/3/25,14,等響度曲線,前面提到，人耳能聽(tīng)到的最小聲壓（聽(tīng)閾）約為20μPa，事實(shí)上，這個(gè)數(shù)值大約是人耳在1000H

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

11、2024/3/25,16,雙耳定位,現(xiàn)實(shí)中，我們聽(tīng)到身邊的聲音有方向感。首先同一個(gè)聲音到達(dá)人的兩只耳朵的時(shí)間不同，存在一個(gè)時(shí)間差。同時(shí)，同一個(gè)聲音雙耳聽(tīng)來(lái)的響度也有不同，存在一個(gè)聲級(jí)差。700Hz以下主要依靠時(shí)間差定位，從700Hz到2.8kHz的頻率段完成聲級(jí)差定位的過(guò)渡。,2024/3/25,17,立體聲,最常見(jiàn)的雙聲道（L、R）立體聲使用兩個(gè)獨(dú)立的通道，記錄下具有強(qiáng)度差的信號(hào)，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的放大還原通道，分別驅(qū)動(dòng)左聲道

12、和右聲道的音箱，從而給人展現(xiàn)出一個(gè)具有方向感的聲音。具有良好方位感的立體聲應(yīng)當(dāng)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(gè)獨(dú)立的聲音通道，但是先進(jìn)的環(huán)繞聲可以做到22.2聲道。,2024/3/25,18,心理聲學(xué)效應(yīng),掩蔽效應(yīng)：當(dāng)一個(gè)聲音的強(qiáng)度遠(yuǎn)比另一個(gè)聲音大，人們只能聽(tīng)到響的那個(gè)聲音存在，而覺(jué)察不到另一個(gè)聲音存在。哈斯效應(yīng)：兩個(gè)相同的聲音一前一后到達(dá)人耳時(shí)，如果時(shí)間差在35ms以內(nèi)，則只會(huì)聽(tīng)到一個(gè)聲音；時(shí)間差大于35

13、ms，則會(huì)聽(tīng)到兩個(gè)聲音。雙耳效應(yīng)、勞氏效應(yīng)、德·波埃效應(yīng)、李開(kāi)試驗(yàn)等,2024/3/25,19,聲源的類型,點(diǎn)聲源線聲源面聲源,,,2024/3/25,20,點(diǎn)聲源-聲壓級(jí)的衰減,自由場(chǎng)中，聲音近大遠(yuǎn)小，主要有兩個(gè)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(huì)導(dǎo)致聲壓級(jí)下降，尤其是高頻的下降。所以，距離聲源越遠(yuǎn)，聲音越小，而且音色越暗淡。點(diǎn)聲源的聲壓級(jí)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(jí)，D為待求距離。,2024/3/25,21,點(diǎn)聲源-聲壓級(jí)的衰減,計(jì)算題。 某100Hz點(diǎn)聲源，位于自由聲場(chǎng)中，距其1米處測(cè)得的聲壓級(jí)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(jí)分別是多少？,距離每增加或減少一倍，聲壓級(jí)降低或升高6dB。對(duì)于聲壓來(lái)說(shuō)，6dB的聲壓級(jí)變化相當(dāng)于壓強(qiáng)變化了一倍（或一

15、半）。專業(yè)音箱一般都會(huì)給出1米處的最大聲壓級(jí)指標(biāo)，以方便計(jì)算投射到觀眾席位的聲壓級(jí)。這種計(jì)算方法僅限于不存在反射面的自由聲場(chǎng)，在實(shí)際的廳堂中，我們需要依靠其它方法來(lái)計(jì)算觀眾席位處的聲壓級(jí)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(huì)產(chǎn)生反射。從有界區(qū)域到無(wú)界區(qū)域的聲波，也會(huì)在交界面產(chǎn)生反射。部分碰到障礙物的聲波還會(huì)發(fā)生透射，透射的聲波會(huì)穿過(guò)障礙物繼續(xù)前進(jìn)。聲波斜射到兩種不同介質(zhì)交界面

16、上時(shí)，會(huì)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(guò)程中碰到障礙物邊緣或孔隙時(shí)，其傳播方向會(huì)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(zhǎng)尺寸比例有關(guān)。對(duì)于喇叭來(lái)說(shuō)，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(dāng)多列聲波在傳輸過(guò)程中相交時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)受多列波振動(dòng)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(jìn)行下去。非相干聲源：聲波互相無(wú)關(guān)，比如不同樂(lè)器同時(shí)演奏，或者同個(gè)揚(yáng)聲器的直達(dá)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(gè)信號(hào)源驅(qū)動(dòng)的多個(gè)音箱等。相干聲波的疊加是瞬時(shí)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(gè)歌手分別以94dB的聲壓級(jí)（對(duì)某聽(tīng)音位置而言）進(jìn)行演唱，則聽(tīng)音位置的總聲壓級(jí)大

18、小？ 兩個(gè)等幅非相干聲源的疊加，聲壓增加√2倍，聲壓級(jí)增加3dB。,2024/3/25,26,聲波的疊加,相干聲源的聲壓疊加。請(qǐng)計(jì)算，在人的位置產(chǎn)生聲壓振幅同為P的兩個(gè)聲源，到達(dá)時(shí)間差為1ms。求250Hz、500Hz和1000Hz時(shí)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(gè)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(shí)間差（距離差）有關(guān)。下面，讓我們將這種情況放大到一個(gè)聲場(chǎng)中。,2024/3/25,28,聲波的干涉,兩個(gè)相干聲源的聲波在空間中疊加，由于時(shí)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(shí)，在相同的距離差下，不同波長(zhǎng)

20、的聲波有的可能完全疊加，有的可能完全抵消，這導(dǎo)致處于相干聲源覆蓋下同一個(gè)位置的聲壓振幅隨著頻率的變化產(chǎn)生波動(dòng)。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(huì)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(gè)反射面之間，聲音會(huì)產(chǎn)生來(lái)回反射，半波長(zhǎng)的倍數(shù)等于間距的聲音，會(huì)形成駐波，或者說(shuō)是一種共振模式。如圖：,2024/3/25,31,封閉房間內(nèi)的聲場(chǎng),下面，讓我們將注意力從自由場(chǎng)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)聲場(chǎng)

21、。首先，來(lái)看一個(gè)典型的室內(nèi)聲場(chǎng)的聲音組成部分。,,,,,,,,,,,直達(dá)聲早期反射聲（近次反射聲）混響聲,2024/3/25,32,直達(dá)聲、早期反射聲、混響聲,無(wú)論是不是自由聲場(chǎng)，對(duì)于直達(dá)聲來(lái)說(shuō)，它沒(méi)經(jīng)過(guò)反射，因而遵循反比平方定律。直達(dá)聲讓我們聽(tīng)得清晰。早期反射聲一般取直達(dá)聲到達(dá)之后50ms內(nèi)到達(dá)的聲音。延遲幾毫秒的早期反射聲和直達(dá)聲形成干涉，影響聽(tīng)感；早期反射聲難以和直達(dá)聲區(qū)分，可以增加聽(tīng)感的響度和明晰度。某些室內(nèi)場(chǎng)所不具有早

22、期反射聲?；祉懧暯?jīng)過(guò)多次反射（20次以上），在房間中擴(kuò)散得比較均勻，可以認(rèn)為混響聲場(chǎng)處處相等。混響聲一方面讓我們覺(jué)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(chǎng)所不具有混響聲。,2024/3/25,33,混響半徑（臨界距離）,直達(dá)聲：近大遠(yuǎn)小,,,混響聲：處處相等,,,室內(nèi)聲場(chǎng)：近處直達(dá)聲為主，近大遠(yuǎn)?。贿h(yuǎn)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(duì)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(biāo)，全反射材料的a=0，全吸收材料的a=1。測(cè)定一個(gè)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(dòng)的空氣分子通過(guò)孔隙與材料發(fā)生摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化成熱能。常見(jiàn)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(duì)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(guò)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(duì)于中低頻有良好的吸聲能力。,2024/3/25,36,混響時(shí)間,房間中聲音停止后，聲能量衰減到原來(lái)的百萬(wàn)分之一（60dB）所需要的時(shí)間，叫做混響時(shí)間，簡(jiǎn)稱RT60。混響時(shí)間長(zhǎng)的房間，聲學(xué)上叫做活躍的房間；混響時(shí)間短的房間，聲學(xué)上叫做寂靜的房間?；祉憰r(shí)間是一個(gè)房間最重要的聲學(xué)參數(shù)，為了獲得混響

25、時(shí)間的計(jì)算方法，聲學(xué)前輩付出了畢生的心血。,2024/3/25,37,混響時(shí)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(rùn)（Eyring）公式： 和艾潤(rùn)公式相比，賽賓公式形式簡(jiǎn)單，適用于平均吸聲系數(shù)a＜0.2的場(chǎng)所。,2024/3/25,38,“大房間”和“小房間”,上述混響時(shí)間公式都是建立在統(tǒng)計(jì)聲學(xué)的基礎(chǔ)上，本身具有誤差。