聲波傳播特性及人耳聽覺特性

1、第一節(jié) 聲波的傳播特性,聲波是由物體振動產(chǎn)生的,當振動在一定的頻率和強度范圍內(nèi)時,人耳就可以聽到.振動發(fā)聲的物體稱為聲源,有聲波傳播的空間稱為聲場.當聲源在空氣中發(fā)聲時,媒質(zhì)也產(chǎn)生振動,于是,振動形成波動,在空間傳播開來,在聲源周圍形成疏密交替的空氣壓力波,即聲波.在15攝氏度時,大約以340米/秒的速度由聲源向外傳播.氣體中的聲波屬于縱波,即波的前進方向與媒質(zhì)質(zhì)點的振動方向在一條直線上.,尺寸比波長小的聲源所發(fā)出的聲波是以球面

2、擴展的,波陣面為球面,這種聲波稱為球面聲波.這種聲源稱為點聲源.現(xiàn)實中的聲源,即使具有一定的尺寸,但在距離與聲源尺寸相比充分遠時,也可將它看作點聲源,在這樣距離里處得到球面聲波.當距離遠到一定程度時,波陣面即與平面聲波的波陣面相接近,可看做平面聲波.,一、聲波的反射,聲波在前進過程中如果遇到尺寸甚大于聲波波長的堅硬界面,會產(chǎn)生反射.聲波從界面反射的角度與聲波入射到界面的角度相等,即反射角等于入射角.反射的聲波如同從界面后面與

3、聲源相對應(yīng)位置處發(fā)射出來的一樣,即如同在該位置處有一聲源,稱為虛聲源,也稱為鏡像聲源,它與界面的距離等于聲源與界面的距離,如圖1-1所示.,當聲源在一個凹界面前,聲波會產(chǎn)生聚焦,如圖1-2所示.對于播音室來說,為了良好擴散,應(yīng)避免凹界面.當聲源在一個凸界面前,聲波會產(chǎn)生擴散,如圖1-3所示.播音室中經(jīng)常采用凸面結(jié)構(gòu),以增加聲波的擴散,使聲場中聲能密度均勻.,二、聲波的干涉,由幾個聲源產(chǎn)生的聲波,同時在同一媒質(zhì)中傳播時,如果幾個聲波在

4、某點相遇,在相遇處媒質(zhì)質(zhì)點的振動將是各個聲波所引起的分位移和矢量和,就是聲波的疊加原理.也就是說,每個聲波都獨立地保持自己原有的特性(如頻率、波長、振動方向等).因而,幾種樂器同時演奏或幾個人同時說話時,我們也能分辨出各種樂器和各個人的聲音.兩個聲波傳到媒質(zhì)中的一點時,如果兩聲波在該點產(chǎn)生的振動是同相的,則這點的振動會加強;如果兩聲波在該點產(chǎn)生的振動是反相的,則該點的振動就會相互減弱或抵消.,當兩個頻率相同,振動方向相同,相位

5、相同或相位差恒定的聲源所發(fā)出的聲波疊加時,會使某些點的振動加強,某些點的振動減弱,甚至被抵消而不振動,這種現(xiàn)象稱為聲波的干涉現(xiàn)象.產(chǎn)生干涉的聲波稱為相干聲波,相應(yīng)的聲源稱為相干聲源.當一個聲源處于兩個具有很小吸聲性能的平行界面之間時,垂直入射的聲波與反射聲波會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,干涉的結(jié)果在空間形成振幅分布恒定不變的振動,這種情況稱為駐波.兩個頻率相近,強度相差不多的聲波相遇時,由于兩者間的相位差時刻在變化而使疊加后的聲波振幅做周期

6、變化,合成的聲波會在時間上有強弱的變化,這種現(xiàn)象稱為拍.振幅變化的頻率等于原來兩個頻率之差,稱為拍頻.,三、聲波的衍射和繞射,由于媒質(zhì)中的障礙物或其他不連續(xù)性而引起聲波波陣面畸變的現(xiàn)象稱為衍射(或繞射).如圖1-4所示,當聲波在傳播過程中遇到有小孔的大障礙物時,如果小孔寬度大于聲波波長,聲波將從小孔穿過向前傳播;如果小孔寬度小于聲波波長,則在障礙物的另一側(cè)的聲波有如一個以小孔為中心的新的聲源發(fā)射的聲波.當聲波的波長遠大于障礙物尺寸時

7、,聲波可繞過障礙物向前前進;當聲波的波長遠小于障礙物尺寸時,聲波會被反射一部分,并在障礙物后面形成一無聲區(qū).,四、聲強,聲波的強度可以用聲壓幅度表示.如果聲源是一個點聲源,在距聲波不太遠的范圍內(nèi),聲波的波前為球面,聲壓幅度將與距離平方成反比.如果聲源很大,或離開聲源很遠,則聲波波前為平面,聲壓幅度就不隨距離遠近而變化,而是保持一個恒定大小.在實際中,由于空氣對聲波的吸收,聲波的能量會逐步損失,直至使聲壓幅度為零.,第二節(jié) 人耳的聽

8、覺特性,一、人耳的聽覺器官圖1-5為人耳的剖面圖.它分為外耳、中耳和內(nèi)耳三個部分.,1.外耳由耳廓(耳殼)和外耳道組成.耳廓起收集和向外耳道反射聲音的作用,外耳道將聲音傳送給中耳.外耳道的自然諧振頻率約為3400Hz,由于外耳道的共鳴,以及人頭對聲音產(chǎn)生的反射和衍射,使得人耳對2~4Hz的聲音感覺約可提高15~20dB.2.中耳由鼓膜和三塊聽小骨組成.鼓膜是一個漏斗狀的薄膜,聲波激勵鼓膜振動,并將振動傳給三塊聽小骨.聽小

9、骨具有一些非線性,使人們對一個頻率的聲音能產(chǎn)生出它的諧音的感覺.,3.內(nèi)耳由三個半規(guī)管和耳蝸組成.耳蝸呈螺旋形,狀似蝸牛,是一骨質(zhì)腔體,內(nèi)部充滿淋巴液.耳蝸沿其長度被基底膜分為兩部分,分別稱為前庭階和鼓階.在基底膜上分布有大量毛細胞,每根毛細胞上都連有末梢神經(jīng).人耳聽音的詳細過程如下:聲音經(jīng)過耳廓和外耳道到達鼓膜,使鼓膜產(chǎn)生相應(yīng)的振動.鼓膜的振動經(jīng)類似杠桿系統(tǒng)的三個聽小骨放大后,傳到耳蝸的卵形窗,并傳遞給耳蝸內(nèi)的淋巴液.耳蝸通過

10、大約4000根神經(jīng)末梢與大腦相連.,耳蝸是一選頻器官.高頻聲音激勵靠近卵形窗的神經(jīng)末梢;中頻聲音激勵中部的神經(jīng)末梢;末端的神經(jīng)末梢則被低頻的聲音激勵。當耳蝸的某個范圍被相應(yīng)頻率的聲音激勵時,這個部位的毛細胞就會使相連的神經(jīng)末梢發(fā)出電脈沖,并將電脈沖傳遞給大腦.每單位時間的脈沖數(shù)取決于聲音的強度.聲音越強,毛細胞受到的激勵越強烈,單位時間內(nèi)傳給大腦的脈沖數(shù)就越多.因此,耳蝸是個很好的聲音分析儀,它能從一個復(fù)合的聲音中分辨出各個頻率成分.

11、用人耳辨別聲音的音調(diào),只需聽到振動的幾個周期就能分辨得一清二楚.在聽覺范圍內(nèi)人耳能認定和區(qū)分大約1500種不同的音調(diào).,二、人耳對聲音的感受,人耳對聲音的感受,只能在一定范圍的頻率及聲壓級下進行,在這個范圍外的聲音人耳是感覺不到的.人耳能感受的聲音頻率范圍因人而異,也隨聽音人的年齡而不同.人耳的可聽頻率范圍為20Hz-20KHz,這個范圍外的聲音,無論聲壓級多高,人耳都聽不到.高于20KHz的稱為超聲;低于20Hz的稱為次聲.年輕人

12、可以聽到高頻上限的聲音,超過20歲后,可聽到的頻率上限會逐漸下降.聲音是一種物理現(xiàn)象,人耳聽到聲音后對聲音的感受卻是一種心理現(xiàn)象,首先應(yīng)弄清楚人耳的主觀感受與聲音的物理量之間的關(guān)系.通常將人耳對聲音的三種主觀感受,即響度、音調(diào)和音色稱為聲音三要素. 響度主要與聲音的振動幅度有關(guān);音調(diào)主要與聲音的振動頻率有關(guān);音色主要與聲音的振動頻譜有關(guān).,１．響度,人耳對聲音強弱的感覺稱為響度.人耳對聲音響度的感覺與聲壓級和頻率有關(guān),將人耳在

13、聽到不同頻率純音(正弦波)時,對所有具有相同音量感的聲壓用一條曲線表示后得到的曲線族,稱為等響曲線.如圖1-6所示.圖中每條曲線上所代表的與聲壓級、頻響相對應(yīng)的聲音,人耳聽來都是同樣響的,也可以理解為對于不同頻率的聲音,人耳聽到同樣響度時所需的聲壓級不同.例如,以1KHz、60dBSPL的聲音為基準,人耳聽到與它等響的100Hz聲音所需的聲壓級68dBSPL,對20Hz聲音需100dBSPL,對4KHz聲音則需51dBSPL. 將1K

14、Hz 聲音以dB表示的聲壓級定義為響度級,單位為phon(方).,0phon以下的聲音,人耳是聽不見的,所以0phon曲線可稱為聽閥;120phon以上的聲音會使人耳感到疼痛,所以120phon曲線可稱為痛閥.分析等響曲線可得出以下結(jié)論:(1)人耳對不同頻率聲音的靈敏度不同,對中頻段最為敏感,對高、低頻段的敏感度下降.(2)從聽閥曲線可看出, 4KHz左右是曲線的最低點,即人耳聽到4KHz左右聲音所需的聲壓級最小,因而對4K

15、Hz左右聲音最為敏感.這是由于外耳道共鳴引起的.,(3)聲壓級越高,人耳聽覺頻響越趨平直;聲壓級越低,人耳聽覺頻響越不好,高低頻都會有所損失.(4)對100Hz以下的低頻聲,人耳的靈敏度會急劇下降.對20Hz聲音的聽閾為70dBSPL,因此為了進行有適當?shù)鸵舻恼{(diào)音,監(jiān)聽揚聲器的聲壓級至少應(yīng)為70dBSPL.通常監(jiān)聽揚聲器的聲壓級取為70-90dBSPL.當監(jiān)聽音量減小時,高頻、低頻聲會有所損失,因而改變監(jiān)聽揚聲器的聲壓級會使不同頻段

16、的音量平衡發(fā)生變化.(5)曲線族之間的間隔1KHz附近幾乎是均等的, 說明人耳對1KHz附近的頻率,聲壓變化的dBSPL值與聽覺上的音量感的變化是比較一致的.因此,選定1KHz聲音作為各種聲音的聲壓級基準.,根據(jù)上述分析可知,當改變重放音量時,各個頻率的聲音的響度級也將改變,所以人們會感到聲音的音色有變化.即使是一個高級的放音裝置,在低聲級放音時,會感到放音頻帶變窄,聲音單薄;相反,即使是一個低級的放音裝置,在提高放音量時,也會感

17、到放音頻帶展寬,聲音較豐滿.為了減小等響曲線的影響,可以在前置放大器部分安裝響度控制器,使在低聲級放音時,能根據(jù)等響曲線自動地將低聲級頻段聲音的聲級進行反校正,將它們相應(yīng)提高.,２．音調(diào),人耳對聲音高低的感覺稱為音調(diào).音調(diào)主要與聲音的基音頻率有關(guān),但不成正比,是一種對數(shù)關(guān)系.,影響音調(diào)的因素還有聲壓級和持續(xù)時間聽覺有心理因素和生理因素,音量變化對音調(diào)感覺有影響,低頻聲減小音量,會感到音調(diào)升高;增大音量時,會感到音調(diào)變低.高頻聲

18、正相反,減小音量時會感到音調(diào)變低.增大音量時,會感到音調(diào)變高.因此在小音量時必須將低頻聲的音調(diào)調(diào)低一些,而將高頻聲的音調(diào)調(diào)高一些,才能等到應(yīng)有的音調(diào).,3.音色,音色是聽覺上區(qū)別具有同樣響度和音調(diào)的兩個聲音的主觀感覺,也稱為音品. 由頻譜結(jié)構(gòu)決定,即由聲音的基頻和諧波的數(shù)目以及它們之間的相互關(guān)系來決定.聲音的頻譜結(jié)構(gòu)用頻譜圖來表示,以頻率的對數(shù)坐標作為橫坐標,以聲壓級作為縱坐標,將基頻和斜波按幅度大小以相應(yīng)高度的縱線表示在相應(yīng)頻

19、率坐標上.,音色還與發(fā)聲體振動的起振,穩(wěn)定和衰減的時間過程有關(guān).時間過程可簡稱為時程,或稱為時間軸上的包絡(luò)形狀.起振階段只在激發(fā)弦或空氣柱使振動開始的瞬間,振幅還不大還不穩(wěn)定.例如銅管樂器激發(fā)的時間40ms,強激發(fā)時最長為80ms,但在弱激發(fā)時最長可達180ms.穩(wěn)定階段是振幅增至最大,并保持恒定不變的階段.例如弦樂中的提琴和二胡,管樂的長笛和小號,而板鼓和梆子等打擊樂則沒有.衰減階段是振幅開始減小至完全停止的階段.例如揚琴

20、可達1-2秒,一般樂器高音短低音長.,風琴起振緩慢,短時間內(nèi)保持一定的穩(wěn)態(tài)聲級,較緩的衰減.鋼琴起振較快,然后逐步衰減.,三、人耳的幾個效應(yīng)１．遮蔽效應(yīng)由于第一個聲音的存在而使第二個聲音提高聽閾的現(xiàn)象,稱為掩蔽效應(yīng). 因此,一個聲音能被聽到的條件是這個聲音的聲壓級不僅要超過聽者的聽閾,而且要超過它所在背景環(huán)境中的掩蔽閾.,２．雞尾酒會效應(yīng),人們具有從許多聲音中選擇聽到自己要聽的聲音的能力.在許多人相聚的雞尾酒會中,可以對特定人

21、的講話聽的最清楚,這種效應(yīng)成為雞尾酒會效應(yīng).但傳聲器拾音時,不具備人的這種心理選擇,而只能客觀的拾取由其指向性,靈敏度,拾音方式等限定的聲音.因此實際錄音時,不應(yīng)被聲源的內(nèi)容所吸引,而應(yīng)注意客觀存在的物理聲音.,３．雙耳效應(yīng),用兩只耳朵聽聲與用一只耳朵聽聲,在效果方面有許多不同,這種不同稱為雙耳效應(yīng).雙耳可聽到比單耳時低3dB的聲音,對噪音而言不成立.雙耳效應(yīng)最明顯的是對聲音的定位,由于到達兩耳的聲音存在聲級差,時間差和相位差