聲學原理

1、,,,,電 聲,基礎知識,一、聲波的基本性質(zhì),,聲音是一種波動現(xiàn)象。當聲源（機械振動源）振動時，振動體對周圍相鄰的媒質(zhì)產(chǎn)生擾動，而被擾動的媒質(zhì)又會對相鄰媒質(zhì)產(chǎn)生擾動，這種擾動的不斷傳遞就是聲波產(chǎn)生與傳播的基本機理。,聲波機理,上圖采用４位二進制數(shù)進行量化，將聲音強度劃分為１６個量化級,存在著聲波的空間稱為聲場。,聲場定義,聲場媒質(zhì)定義,聲場中能夠傳遞擾動的媒質(zhì)稱為聲場媒質(zhì)。,,球面聲波的基本性質(zhì)球面聲波的波動頻率、波長及波速求解聲

2、波的聲壓、媒質(zhì)質(zhì)點振速及聲阻抗率,聲場與聲波,,聲能量與聲能量密度聲能組成聲能量密度平面聲波的聲能與聲能量密度聲功率與聲強聲功率聲強,,聲場中的能量,我們將單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向、面積為S的截面的平均聲能量稱為平均聲能量流或平均聲功率。,聲功率定義,,通過垂直于聲波傳播方向單位面積上的平均聲功率（或平均聲能量流）稱為平均聲能量流密度或聲強。,聲強定義,,二、人耳聽覺特性,,響度音高音色可聞聲的頻域特征可聞聲

3、的時域特征人耳聽覺的非線性掩蔽效應人耳聽覺的延時效應與雙耳效應,人類聽感的基本特征,,聲壓級與聲強級聲壓級聲強級可聞聲的頻域范圍等響度曲線,響度,人耳對聲音強弱的主觀感覺稱為響度。,,聲學中，為了適應人耳聽感的響度特性，方便對人耳聽覺響度的計量，采用對數(shù)來計算和劃分聲音強弱的等級。某點聲壓的有效值與零聲級的參考聲壓值之比的常用對數(shù)，定義為聲壓級Lp，用分貝（Db）來表示： Lp＝20lgP

4、rms/Pref (dB)式中：Prms－－某點聲壓的有效值 ，Pref－－零聲級參考聲壓規(guī)定1kHz時人耳剛能聽到的聲音，聲壓為2×10－5 Pa，作為聲壓級的0dB。,聲壓級,,定義：某點聲強值與零聲級的參考聲強值之比的常用對數(shù)，定義為聲強級LI，用分貝（dB）來表示： L＝10lgI/Iref （dB）式中：I－－某點的聲強值， Iref－－零聲級的參考聲強值。 規(guī)

5、定 Iref ＝10－12 W/m2。,聲強級,,20Hz—20kHz聞曲線：將人耳剛能聽到的各頻率聲音的最低聲壓級聯(lián)成一條曲線，稱作聞閾曲線。（在1kHz 時為0dB）。痛閾曲線：將人耳對響度過大以致難以忍受的各頻率聲音的聲壓級聯(lián)成一條曲線，稱作痛閾曲線。,可聞聲頻率范圍,,響度級定義：將某一頻率的聲音與1kHz的聲音比較，當兩者響度一樣時，1kHz聲音的聲壓級（以2×10－5 Pa為0dB的相對分貝數(shù)）就是該聲音的響度

6、級。,等響度曲線,,音高定義：人耳對聲音調(diào)子高低的主觀感覺稱為音高或音調(diào)、音準。人耳對聲音頻率的主觀感覺 音高＝Klg f式中：K為常數(shù)，f是音高的物理簡諧頻率。音律 12平均率響度對音高的影響,音高,,音色定義：人耳在主觀感覺上區(qū)別相同響度和音高的兩類不同聲音的主觀聽覺特性稱為音色。線狀譜 聲音諧波的產(chǎn)生機理連續(xù)譜,音色,,共振峰譜級分布 1、語聲；2、音樂,可聞聲的頻域特征,,起

7、振段 10—100毫秒穩(wěn)態(tài)段 衰減段 高音衰減快，低音衰減慢,可聞聲的時域特征,,純音的掩蔽噪聲對純音的掩蔽“雞尾酒會效應”,人耳聽覺的非線性掩蔽效應,,人對聲源方位的定位，對聲音的立體感覺，主要是依賴于雙耳，這就是雙耳效應。聲源到達左右耳的距離存在差異，將導致到達兩耳的聲音在聲級、時間、相位上存在著差異。這種微小差異被人耳的聽覺所感知，傳導給大腦并與存儲在大腦里的聽覺經(jīng)驗進行比較、分析，得出聲音方位的判別，這就是雙耳效

8、應。形成雙耳效應的本質(zhì)因素在于聲音到達兩耳的聲音在聲級差、時間差和相位差。,人耳聽覺的延時效應與雙耳效應,,立體聲的特點聽覺定位機理聲象及聲象定位,立體聲的聽覺機理,,具有聲像的臨場感具有較高的清晰度和信噪比,立體聲的特點,,雙耳效應聲級差時間差相位差耳殼效應,聽覺定位機理,,聲頻率1.7KHz,波長約20cm與人頭大小相當。高頻遮蔽區(qū)遮蔽效應（不同于掩蔽效應）基頻、泛音（高次諧波）時間差比聲級差更多的方向性信息

9、。瞬態(tài)聲有利于方向辨別。,雙耳效應,,耳殼效應重復聲延時量 長軸20--45μs、短軸2--20 μs。20 μs的延時量其頻率達50KHz。耳殼效應對4KHz－－20KHz頻段的辨位能力最強。,耳殼效應,,聽音者聽感中所展現(xiàn)的各聲部空間位置，并由此而形成的聲畫面，稱為聲像?，F(xiàn)今的立體聲普遍采用聲源為兩聲道系統(tǒng)。這類雙聲道立體聲除了雙耳定位基理外，還有賴于雙聲源的哈斯效應和德波埃效應。,聲像及聲像定位,,哈斯效應 兩個同

10、聲源的聲波若到達聽音者的時間差 Δ t在5—35ms以內(nèi)，人無法區(qū)分兩個聲源，給人以方位聽感的只是前導聲，滯后聲好似并不存在；若延遲時間Δ t在35—50ms是，人耳開始感知滯后聲源的存在，但聽感所辨別的方位仍是前導聲源；若時間差Δ t在50ms以上時，人耳便能分辨出前導聲與滯后聲源的方位。,聲像及聲像定位,,德.波埃效應 1、如果兩聲級相同，聽者感到聲音是從中間來的。 2、如果逐漸加大Y1的聲級，聽音者感到聲象向Y1移

11、動，聲級差大于15dB時，聽音者則感到聲音完全來自Y1處。聲級差15dB、時間差3ms產(chǎn)生的效果一樣現(xiàn)代調(diào)聲技術中的聲像移動器（P.P）（全景電位器）,聲像及聲像定位,,三、聽覺特性對電聲的技術要求,,,頻率失真相位失真,頻率域要求,,瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)直流分量,時間域要求,,設備系統(tǒng)的非線性聽覺的非線性動態(tài)范圍（閾）,非線性失真要求,四、室內(nèi)聲場與音質(zhì),,,室內(nèi)聲場的基本特征室內(nèi)聲場的組成簡正方式和簡正頻率室內(nèi)聲場的基本特征

12、混響和混響時間室內(nèi)聲場的建立穩(wěn)定和衰減混響時間的計算混響時間的定義賽賓(W.C.Sabine)公式艾潤(C.F.Eyring)公式其它混響公式混響時間的頻率特性,室內(nèi)聲場,,室內(nèi)聲場分布房間常數(shù)混響半徑聲源指向因子室內(nèi)聲場分布計算,第一節(jié) 室內(nèi)聲場（2）,,駐波條件：L=n*λ /2 式中：（ n＝1，2，3，……）， λ相應波長按駐波條件形成的每一個駐波稱為房間的一個簡正方式，其相應的頻率為

13、簡正頻率。簡正頻率相同而簡正方式不同的現(xiàn)象，稱之為簡正頻率的“簡并”。,簡正方式和簡正頻率,,室內(nèi)聲源輻射的連續(xù)穩(wěn)定聲波，室內(nèi)各受音點接受到的聲壓值也是穩(wěn)定的，聲壓隨聲源距衰減沒有室外明顯。由于室的周邊對聲的反射作用，室內(nèi)聲源停止發(fā)聲后，室內(nèi)聲并不立即停止，而是繼續(xù)持續(xù)以段時間，這種聲的殘響現(xiàn)象通常稱之為混響。由于室形狀的復雜性，聲波在室內(nèi)傳播時，還會產(chǎn)生回聲、聚焦、蛙鳴以及聲染色等特異聲現(xiàn)象。,室內(nèi)聲場的基本特征,混響和混響時間

14、,混響時間的定義：通常，我們定義Lp衰減60(dB)的時間為混響時間。記為T60。T60＝（Tb-Ta）×60/（Lpa-Lpb）,,T=KV/A 或 T60＝0.161V/Sα,賽賓公式,艾潤公式,,0.161V,－S ㏑（1－α ）,T60＝,脈沖聲的時間序列,,,,,第一反射聲,直達聲,前期反射聲,混響聲,,,,,,,,,,,,,,矩形房間的駐波狀態(tài),,,,,,,,,,,,,,房間常數(shù)混響半徑聲源

15、指向因子室內(nèi)聲場分布的計算,室內(nèi)聲場分布,,室內(nèi)音質(zhì)設計的基本要求主要評價量及評價標準室內(nèi)噪聲水平最佳混響時間混響時間的頻率特性混響感前期反射聲的時間序列與方向序列聲場擴散特性,第二節(jié) 室內(nèi)音質(zhì)評價,,室內(nèi)音質(zhì)設計的基本要求無噪聲干擾語言用房，應追求聲音的清晰音樂用房，要求聲音圓潤、豐滿和足夠的力度立體聲效果用房，追求立體感、空間感和臨場感整個聲場應充分擴散、分布均勻沒有回聲、顫音、蛙鳴、嗡聲（低頻聲染色）以

16、及聲聚焦等明顯特異聲缺陷,第二節(jié) 室內(nèi)音質(zhì)評價,,“噪聲評價指數(shù)”（N曲線）“N25線”、“N90線”Lp = a + bNA聲級〔dB（A）〕N曲線用于噪聲頻譜比較特殊的場合，突出了噪聲的煩惱度； A聲級〔dB（A）〕計量較為方便，多用于一般噪聲。,室內(nèi)噪聲水平,,結論：混響時間是影響室內(nèi)音質(zhì)的最基本要素，也是最基本評價量。音質(zhì)主觀評價術語：“清晰”、“平衡”、“豐滿”、“力度”、“圓潤”、“明亮”、“柔和”、“臨場感”等都

17、與混響時間相關。最佳混響時間：對于不同用途的聲室，不同的音質(zhì)設計，應有不同容積的室空間，在此容積下，有某一段混響時間范圍，其間聲效果最好。最佳混響時間通常取500Hz—1000Hz作為標準。,最佳混響時間,,現(xiàn)代演播室、錄音室等聲室，都要求有短而平直的混響時間，因為：短混響的節(jié)目可以通過電聲手段任意加進人工混響，以模擬各種聲現(xiàn)場的情景，而如果節(jié)目已據(jù)有長時間的混響則很難減短。短混響的房間由于吸音條件好，有利于降低背景噪聲。在電

18、視節(jié)目中，多數(shù)節(jié)目不希望在畫面中出現(xiàn)傳聲器，這樣現(xiàn)場拾音距離較大，如混響時間長，就會影響講話者的親切感和實在感。,最佳混響時間,,混響時間的頻率特性是指：房間的混響時間隨聲信號的頻率變化而變化的特性（T60頻譜）,混響時間的頻率特性,,混響感是人對混響程度的主觀感受。聽覺比＝混響聲聲能密度（es） /直達聲聲能密度（ed）“混響感”比“最佳混響時間”更能反映聽音者的聽音音質(zhì)。,混響感,,前期反射聲的時間序列前期反射聲的方向序列,前

19、期反射聲的時間序列與方向序列,,聲波室內(nèi)傳播是靠界面反射進行的。如果這種傳播完全處于無規(guī)狀態(tài)，從統(tǒng)計觀點來說可以認為聲波通過室內(nèi)任何位置的幾率是相同的，通過的方向幾率也是相同的，各反射聲相遇時的位相也是無規(guī)的，由此造成的室內(nèi)聲場平均能量密度分布是均勻的，我們就將這種統(tǒng)計平均均勻的聲場稱為擴散聲場。實際聲場擴散特性的評價方法：實測混響時間，并計算與理論值的偏差；或者根據(jù)實測混響曲線的不規(guī)則度來評價實際聲場的擴散特性。實測室內(nèi)聲壓級分

20、布并與理想分布比較。測量實際聲場的指向擴散度，并據(jù)此評價其擴散特性。,聲場擴散特性,№,,,在“刺猬圖”中，每根“針”的長度表示該方向傳來的聲能強度。 設各空間角測次樣本總數(shù)為N，則針長平均值,聲場擴散特性,,常見聲缺陷及其對音質(zhì)的影響室內(nèi)音質(zhì)改善的建筑聲學方法,第三節(jié) 室內(nèi)音質(zhì)的改善,,外界噪聲對室內(nèi)聲場的干擾通過門、窗、管道進入；透過墻壁等傳入，二次聲源。建筑物構建受機械撞擊，振動沿隔離物傳播輻射干擾混響時間對音

21、質(zhì)的影響混響時間過長混響時間過短混響時間頻率特性畸變房間大小及線度比例對簡正頻率分布的影響,常見聲缺陷及其對音質(zhì)的影響,,例：某電化教室室內(nèi)總表面積S=800m2，α ＝0.15，透聲壁中，墻面積為20m2，透聲率為τ 1＝0.00001，窗面積為60m2，透聲率為τ 2＝0.001，當室外噪聲聲壓級為75dB（A）時，求室內(nèi)噪聲聲壓級。,外界噪聲對室內(nèi)聲場的干擾,,控制噪聲和振動干擾，提高聲信噪比修正混響時間及其頻率特性，以

22、符合設計要求改善房間形體、結構，提高房間擴散性能長方體形房間長、寬、高比例盡量避免1:2、1:1等簡單比例關系。房間容積應足夠大，使間隔較大的簡正頻率盡量推向很低頻段使頻率范圍內(nèi)頻率分布均勻。對長寬高比例不當?shù)姆块g，可通過空間分割盡量減少房間平行內(nèi)壁。室內(nèi)吸聲材料和吸聲結構的鋪裝以非對稱為宜。合理設計反射面，改善前期反射聲反射面的形體處理改變反射面或聲源位置,室內(nèi)音質(zhì)改善的建筑聲學方法,,吸聲材料與吸聲機理多孔吸聲材料