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1、声学知识培训声学知识培训(1)(1)定制人员定制人员:胡小鹏胡小鹏 审核人员审核人员:实施日期实施日期:培训目的培训目的通过本课程的学习,您将能够:通过本课程的学习,您将能够:声音声音人耳听觉特性人耳听觉特性人耳的听觉范围人耳的听觉范围声音的要素声音的要素人耳的几种效应人耳的几种效应适用对象:对音频媒体感兴趣的人适用对象:对音频媒体感兴趣的人培训大纲培训大纲声音和声波、声压、声速、频率、周期、波长,声音和声波、声压、声速、频率、周期、波长,声功率声功率声强声强声级声级听力范围听力范围音高、响度、音色音高、响度、音色掩蔽效应、双耳效应、主观音、鸡尾酒会效应、掩蔽效应、双耳效应、主观音、鸡尾酒会效
2、应、哈斯效应哈斯效应声音和声波声音和声波声波与声音是两个有联系声波与声音是两个有联系,又有区别的概念。又有区别的概念。声音是由物体振动产生的,振动发声的物体声音是由物体振动产生的,振动发声的物体声源。声源。声音可以通过固体、液体、气体等媒质传播。声音可以通过固体、液体、气体等媒质传播。本质是能量的传播本质是能量的传播在空气中,声源的振动会使周围的空气质点产在空气中,声源的振动会使周围的空气质点产生一定的疏密变化,并以一定的速度传播出去生一定的疏密变化,并以一定的速度传播出去形成声波。(波动是振动在介质中的传播)形成声波。(波动是振动在介质中的传播)声音和声波声音和声波 声音是声源振动引起的声波
3、传播到听觉声音是声源振动引起的声波传播到听觉器官所产生的器官所产生的感受感受.可见可见,声音是由声音是由声源振动声源振动,声波传播声波传播和和听觉感受听觉感受3个环节所形成的个环节所形成的.扬声器发声时扬声器发声时,会引起周围空气的振动而会引起周围空气的振动而产生声波产生声波,其传播方向与空气质点振动方向相其传播方向与空气质点振动方向相同同.因而因而,声波在空气中是一种纵波声波在空气中是一种纵波.声强声强 声波平均能流密度的大小叫声强。声波平均能流密度的大小叫声强。声传播时也伴随着声传播时也伴随着能量能量的传播用单位的传播用单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积时间内通过垂直于声波传播方向
4、的单位面积的能量的能量(声波的能量流密度声波的能量流密度)表示表示 声强是矢量,单位为声强是矢量,单位为W/m2(瓦(瓦/平方米)。平方米)。声强声强 声强的大小与声速、声波的频率的平方、振幅的声强的大小与声速、声波的频率的平方、振幅的平方成正比。平方成正比。超声波的声强大是因为其频率很高,炸弹爆炸的超声波的声强大是因为其频率很高,炸弹爆炸的声强大是因为振幅大。声强大是因为振幅大。声强声强 声音强度,以声音强度,以能量能量来计算称声强,以来计算称声强,以压力压力计算表示计算表示时称声压。声强(时称声压。声强(I)与声压()与声压(P)的关系为:)的关系为:I=(P2)/(v)其中其中-介质密度
5、,介质密度,v-声速声速声功率声功率 声强对面积积分,则为单位时间内通过一定面积声强对面积积分,则为单位时间内通过一定面积的声波的声波能量能量,因具有功率的单位,又叫做声功率。,因具有功率的单位,又叫做声功率。声功率通常还很小,一个人说话的声功率仅约声功率通常还很小,一个人说话的声功率仅约10-5W,故一千万人同时说话,也只,故一千万人同时说话,也只100W。人们发。人们发声所消耗的能量绝大部分均转化为其他形式例如热运声所消耗的能量绝大部分均转化为其他形式例如热运动的能量,用于发声的仅约动的能量,用于发声的仅约1%。声功率声功率声压声压 声压声压(sound pressure)原有大气压的基础
6、上又产生了一个随声波变化原有大气压的基础上又产生了一个随声波变化的交变压强,此交变压强即为声压。声压常用字的交变压强,此交变压强即为声压。声压常用字母母 p 表示,在国际单位制中,声压的衡量单位表示,在国际单位制中,声压的衡量单位是帕斯卡(符号是帕斯卡(符号Pa)。)。人耳刚好能听到的声压约为人耳刚好能听到的声压约为声压声压 声压的大小表示声波的强弱声压的大小表示声波的强弱.大气静止时存在着一个压力大气静止时存在着一个压力,称为大气压强称为大气压强,简称简称气压气压.当有声波存在时当有声波存在时,局部空间产生压缩或膨胀局部空间产生压缩或膨胀,在在压缩的地方压力增加压缩的地方压力增加,在膨胀的地
7、方在膨胀的地方,压力减小压力减小,于是于是就在原来的静态气压上附加了一个压力的起伏变化就在原来的静态气压上附加了一个压力的起伏变化.这个由声波引起的交变压强称为声压这个由声波引起的交变压强称为声压.在一定时间内在一定时间内,瞬时声压对时间取均方根值称为瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压有效声压.用电子仪表测量得到的通常是有效声压用电子仪表测量得到的通常是有效声压,人们习惯上讲的声压实际上也是有效声压人们习惯上讲的声压实际上也是有效声压.声压声压声压示意图声压示意图:1.无声无声 2.可闻音可闻音 3.大气压大气压 4.瞬时声压瞬时声压声压级声压级声压级(声压级(SPL sound press
8、ure levels)人人耳耳有有一一个个的的特特点点,主主观观感感受受的的响响度度并并不不是是正正比比于于声声压压的的绝绝对对值值,而而是是大大体体上上正正比比于于声声压压的的对对数数值值.为为此此,在在声声学学中中还还用用声声压压级级来来描描述述声声波波的的强强弱弱,用用符符号号SPL表示表示,单位为单位为dB(分贝分贝).声压级定义如下声压级定义如下:式式中中Pe为为声声压压有有效效值值,Pr为为参参考考声声压压,人人耳耳能能听听到到的的最最弱弱声声音音,即即参参考考声声压压级级为为0 dB.人人类类的的对对于于 1KHz 的声音的听阈(即产生听觉的最低声压)的声音的听阈(即产生听觉的最
9、低声压)声压级声压级 声压级增加声压级增加10分贝,人们感到响度约增加一倍分贝,人们感到响度约增加一倍.一般情况下,音量达一般情况下,音量达 100dB 时,时间较长可造成时,时间较长可造成不可恢复性听力损伤;当音量高达不可恢复性听力损伤;当音量高达110分贝时,足以分贝时,足以使内耳毛细胞死亡,严重者会造成听力丧失。实际使内耳毛细胞死亡,严重者会造成听力丧失。实际上,任何高于上,任何高于85分贝的声音都能造成听力损伤,每分贝的声音都能造成听力损伤,每天天8个小时个小时90分贝,足以造成逐步和不可逆转的听力分贝,足以造成逐步和不可逆转的听力损伤损伤 声压级声压级声压级声压级声速声速 频率频率
10、波长波长声速声速:声波在一秒内传播的距离为声速,以声波在一秒内传播的距离为声速,以C表示,表示,单位是单位是 m/s (米秒);常温(米秒);常温(15度)时,度)时,C=340 m/s。空气中声速:。空气中声速:c=331.45+0.61t 取室取室温:温:340m/s频率频率:声波在一秒内振动的次数为频率,以声波在一秒内振动的次数为频率,以f 表示,表示,单位是单位是 Hz;1KHz=1000Hz。周期性振动完成一。周期性振动完成一次振动所需的时间为周期,以次振动所需的时间为周期,以T表示,单位是表示,单位是s(秒)。频率和周期互为倒数(秒)。频率和周期互为倒数 T=1/f;波长波长:声波
11、每振动一次所走过的距离为波长,以声波每振动一次所走过的距离为波长,以表示,单位是表示,单位是m(米)(米)声速声速 频率频率 波长波长 声声速速与与媒媒质质的的密密度度,弹弹性性等等因因素素有有关关,而而与与声声波波的的频频率率,强强度度无无关关.当当温温度度改改变变时时,由由于于媒媒质质特特性性的的变变化化,声速也会发生变化声速也会发生变化.当当温温度度为为15 时时,声声波波在在空空气气,水水和和钢钢中中的的声声速速分分别别为为340 m/s,1 450 m/s和和5 100 m/s.当当温温度度升升高高时时,声速略有增加声速略有增加.介质介质 空气空气 水水松木松木 砖砖 钢材钢材 声速
12、声速c (m/s)34015002500 350036005000频率和振幅频率和振幅distanceVelocity cWavelength l lPeriodTPressureTimef(Hz)Wave number may be thoughtas spatial Frequency波数也被称为空间频率波数也被称为空间频率 T is the period of propagating wave.f is the number of pressure variation per second.T=周期周期 f=频率,即单位时间内振动的次数频率,即单位时间内振动的次数波矢量波矢量k 角频率角
13、频率Sound wave in a tube声波的两个基本特征量是声波的两个基本特征量是频率和振幅频率和振幅波长和频率波长和频率 我们可以到,高频率的声音对应波长我们可以到,高频率的声音对应波长短,低频率的声音对应波长长。短,低频率的声音对应波长长。频率频率采样定理采样定理 采样频率的高低是根据采样频率的高低是根据奈奎斯特理论(香农采奈奎斯特理论(香农采样定理)样定理)和声音信号本身的最高频率决定的。和声音信号本身的最高频率决定的。fs=2F F为声音信号本身的最高频率为声音信号本身的最高频率采样频率高于信号带宽的一倍,那么,原来的连采样频率高于信号带宽的一倍,那么,原来的连续信号可以从采样样
14、本中完全重建出来。续信号可以从采样样本中完全重建出来。通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论。通讯与信号处理学科中的一个重要基本结论。人耳的听觉范围人耳的听觉范围人耳的听觉范围人耳的听觉范围 人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声为声20Hz20KHz为可听声;低于为可听声;低于20Hz为次声;为次声;高于高于20KHz为超声青年人为超声青年人1000Hz、0dB-听阀;听阀;1000Hz、120dB-痛阀。痛阀。以上是以以上是以1K纯音为准纯音为准人耳的听觉范围人耳的听觉范围 其他频率可听声的听力阀和痛阀与其他频率可听声的听力阀和痛阀与1000H
15、z声声音不同,低于音不同,低于1000Hz和高于和高于4000Hz的听阀都高于的听阀都高于0dB,即人耳对它们的灵敏度较差;听阀曲线最,即人耳对它们的灵敏度较差;听阀曲线最低的是低的是30004000Hz的声音。的声音。人耳的听觉范围人耳的听觉范围人耳的听觉范围人耳的听觉范围听觉心理要素听觉心理要素 声音的听觉心理主观感受主要有:音高、响度、声音的听觉心理主观感受主要有:音高、响度、音色特性,又称为声音音色特性,又称为声音“三要素三要素”。音高音高 音高:音调也称音高调,表示人耳对声音调子音高:音调也称音高调,表示人耳对声音调子高低的主观感受,客观上高低的主观感受,客观上音高大小主要取决于声音
16、高大小主要取决于声波基频的高低,频率高则音调高,反之则低波基频的高低,频率高则音调高,反之则低,单,单位用赫兹位用赫兹(Hz)表示。表示。音调的变化与频率的关系是对数关系,音调的变化与频率的关系是对数关系,频率每频率每高一倍高一倍(一个倍频程)、音调就高一个八度一个倍频程)、音调就高一个八度。音调。音调的单位是的单位是“美美”,通常定义响度为,通常定义响度为40方的方的1kHz纯纯音的音高为音的音高为1000美,赫兹与美,赫兹与“美美”同样是表示音同样是表示音高的两个不同概念的单位。高的两个不同概念的单位。音高音高 音高同样也依赖声音的振幅,尤其是声频偏音高同样也依赖声音的振幅,尤其是声频偏低
17、的时候。譬如低音符发出的音量越大,感受低的时候。譬如低音符发出的音量越大,感受到的音高越低。和其他感官知觉一般,某些相到的音高越低。和其他感官知觉一般,某些相似的音高亦会迷惑听觉系统,导致听觉错觉产似的音高亦会迷惑听觉系统,导致听觉错觉产生。生。音高音高频率每高一倍频率每高一倍(一个倍频程)、音调就高一个八度。一个倍频程)、音调就高一个八度。响度响度 响度:是与响度:是与声强声强相对应的声音大小的知觉量。相对应的声音大小的知觉量。声强是客观的物理量,响度是声强是客观的物理量,响度是主观的心理量主观的心理量。响。响度不仅跟声强有关,还跟频率有关。度不仅跟声强有关,还跟频率有关。响度受声强制约,声
18、强级提高,响度级一般也响度受声强制约,声强级提高,响度级一般也要提高。要提高。响度不仅和声强有关,还和频率有关,声强级响度不仅和声强有关,还和频率有关,声强级相同的纯音,频率不同,响度级也不相同。相同的纯音,频率不同,响度级也不相同。响度响度 当声音减弱到人耳刚刚可以听见时,此时的声当声音减弱到人耳刚刚可以听见时,此时的声音强度称为音强度称为“听阈听阈”;当声音增强到使人耳感到;当声音增强到使人耳感到疼痛时,这个阈值称为疼痛时,这个阈值称为“痛阈痛阈”,听阈和痛阈随,听阈和痛阈随声压和频率的变化而变化。听阈和痛阈随频率变声压和频率的变化而变化。听阈和痛阈随频率变化的曲线叫化的曲线叫“等响度曲线
19、等响度曲线”响度的数量标度单位是宋(响度的数量标度单位是宋(Sone)。响度为)。响度为2宋的声音比宋的声音比1宋的声音响两倍,宋的声音响两倍,1宋的声音又比宋的声音又比0.5宋的声音响两倍。宋的声音响两倍。1宋等于频率为宋等于频率为1000Hz、声压、声压级为级为40dB的纯音的响度。的纯音的响度。响度响度 人耳的可听阀是一个类似人耳的可听阀是一个类似“V”字形曲线,除字形曲线,除中音外,对高音和低音都不够中音外,对高音和低音都不够 敏感,要感到同样敏感,要感到同样响度,高音和低音需要较大的声压级。例如,响度,高音和低音需要较大的声压级。例如,200Hz的的30dB的声音和的声音和1kHz的
20、的10dB的声音在人耳的声音在人耳听起来具有相同的响度,这就是所谓的听起来具有相同的响度,这就是所谓的“等响度等响度”。响度响度响度响度 对于对于1kHz纯音,纯音,0dB-20dB为宁静声,为宁静声,30dB-40dB为微弱声,为微弱声,50dB-70dB为正常声,为正常声,80dB-100dB为响音声,为响音声,110dB-130dB为极响声。而对于为极响声。而对于1kHz以外的可听声,在同一级等响度曲线上有无以外的可听声,在同一级等响度曲线上有无数个等效的声压数个等效的声压-频率值。频率值。响度响度 当声压发生变化时当声压发生变化时,人们听到的响度会有变化人们听到的响度会有变化.例例如声
21、压级在如声压级在50 dB以上时以上时,人耳能分辨出的最小声压级人耳能分辨出的最小声压级差约为差约为1 dB;而声压级小于而声压级小于40 dB时时,要变化要变化13 dB才能觉察出来才能觉察出来.音色音色 音色:音色:是声音的特色,根据不同的音色,即使在同一是声音的特色,根据不同的音色,即使在同一音高和同一声音强度的情况下,也能区分出是不音高和同一声音强度的情况下,也能区分出是不同乐器或人声发出的。同样的音量和音配上不同同乐器或人声发出的。同样的音量和音配上不同的音色就好比同样色度和明度配上不同的色相的的音色就好比同样色度和明度配上不同的色相的感觉一样。感觉一样。音色音色 音色的不同取决于不
22、同的泛音,每一种乐器、音色的不同取决于不同的泛音,每一种乐器、不同的人以及所有能发声的物体发出的声音,除不同的人以及所有能发声的物体发出的声音,除了一个基音外,还有许多不同频率的泛音伴随,了一个基音外,还有许多不同频率的泛音伴随,正是这些泛音决定了其不同的音色,使人能辨别正是这些泛音决定了其不同的音色,使人能辨别出是不同的乐器甚至不同的人发出的声音。每一出是不同的乐器甚至不同的人发出的声音。每一个人即使说话也有不同的音色,因此可以根据其个人即使说话也有不同的音色,因此可以根据其声音辨别出是不同的人。声音辨别出是不同的人。音色音色 根据根据傅立叶级数傅立叶级数原理,周期函数都可展开为一原理,周期
23、函数都可展开为一组常数与有共同周期的正弦和余弦之和。常数为组常数与有共同周期的正弦和余弦之和。常数为直流分量,最小正周期为基波或一次谐波,它的直流分量,最小正周期为基波或一次谐波,它的位数称之为高次谐波。位数称之为高次谐波。基频决定音高,谐波决定音色。基频决定音高,谐波决定音色。音色音色 声音的音色色彩纷呈,变化万千,高保真声音的音色色彩纷呈,变化万千,高保真(Hi-Fi)音响的目标就是要尽可能准确地传输、还原重音响的目标就是要尽可能准确地传输、还原重建原始声场的一切特征,使人们真实地感受到诸建原始声场的一切特征,使人们真实地感受到诸如声源定位感、空间包围感、层次厚度感等各种如声源定位感、空间
24、包围感、层次厚度感等各种临场听感的立体环绕声效果。临场听感的立体环绕声效果。音色音色音值音值 又称时值。指音延续的时间长短,由发音体振又称时值。指音延续的时间长短,由发音体振动的时间长短决定。动的时间长短决定。波谱查看分析仪波谱查看分析仪人耳的几种效应人耳的几种效应l掩蔽效应掩蔽效应l双耳效应双耳效应l主观音主观音l鸡尾酒会效应鸡尾酒会效应l哈斯效应哈斯效应掩蔽效应掩蔽效应 其它声(噪声)的存在,使得人们对目标声音的其它声(噪声)的存在,使得人们对目标声音的听力降低。其规律如下:听力降低。其规律如下:1、低频声易掩蔽高频声,而高频声不易掩蔽低频声。、低频声易掩蔽高频声,而高频声不易掩蔽低频声。
25、2、掩蔽声的声压级越高,掩蔽能力越强,频带也越、掩蔽声的声压级越高,掩蔽能力越强,频带也越宽。宽。3、掩蔽声的频带越宽,对目标声掩蔽的频带越宽。、掩蔽声的频带越宽,对目标声掩蔽的频带越宽。4、掩蔽声与目标声的频率越接近,掩蔽能力也越强。、掩蔽声与目标声的频率越接近,掩蔽能力也越强。5、频率相近的纯音容易掩蔽,但过于接近则会产生、频率相近的纯音容易掩蔽,但过于接近则会产生差拍,反而使掩蔽减弱。差拍,反而使掩蔽减弱。掩蔽效应掩蔽效应静音门限和掩蔽门限(灰色区域中的声音听不到)静音门限和掩蔽门限(灰色区域中的声音听不到)双耳效应双耳效应1、双耳可听到比单耳更小的声音,差值、双耳可听到比单耳更小的声音
26、,差值3dB;声压;声压35dB以上时差值以上时差值6dB。2、双耳可正确的确定音源的方位,但随着声音的性、双耳可正确的确定音源的方位,但随着声音的性质和周围的情况而改变。质和周围的情况而改变。时间差效应,声强差效应时间差效应,声强差效应 相位差相位差 音色差音色差 人耳区分回声和原声的最短时间间隔是人耳区分回声和原声的最短时间间隔是0.1秒。秒。主观音主观音 当声音变强时,人耳会感觉到原来声音中所没当声音变强时,人耳会感觉到原来声音中所没有的频率声音,这是因为人耳中传输声音的机构有的频率声音,这是因为人耳中传输声音的机构有非线性而产生了失真,除了基音外,还会产生有非线性而产生了失真,除了基音
27、外,还会产生各种谐音及它们的和音和差音。声音越强谐波的各种谐音及它们的和音和差音。声音越强谐波的次数越高。次数越高。鸡尾酒会效应鸡尾酒会效应 人们具有能从众多声音中选择出自己要听的声人们具有能从众多声音中选择出自己要听的声音的能力,如在鸡尾酒会的嘈杂环境中能听到特音的能力,如在鸡尾酒会的嘈杂环境中能听到特定的人的讲话,而从录音中其他人却很难听清。定的人的讲话,而从录音中其他人却很难听清。在远处突然有人叫自己的名字时,我们会马上在远处突然有人叫自己的名字时,我们会马上注意到。又比如,在周围交谈的语言都不是我们注意到。又比如,在周围交谈的语言都不是我们的母语时,我们可以注意到较远处以母语说出的的母
28、语时,我们可以注意到较远处以母语说出的话语。我们所注意的声源所发的音量,感觉上会话语。我们所注意的声源所发的音量,感觉上会是其他同音量的声源的三倍。是其他同音量的声源的三倍。哈斯效应哈斯效应 如果延迟声的声压级小于先导声,无论延迟声如果延迟声的声压级小于先导声,无论延迟声的来向如何,只要延迟声迟于先导声的来向如何,只要延迟声迟于先导声17ms,就不,就不会感到延迟声的存在。会感到延迟声的存在。当延迟声的方向接近先导声时,即使延迟当延迟声的方向接近先导声时,即使延迟30ms,也不会感到延迟声的存在。,也不会感到延迟声的存在。当延迟时间达到当延迟时间达到2550ms,延迟声才会被感觉,延迟声才会被
29、感觉到,但与先导声之间仍不能被分开当延迟时间超到,但与先导声之间仍不能被分开当延迟时间超过过50ms时,才会感到延迟声的存在。时,才会感到延迟声的存在。哈斯效应哈斯效应 在一般剧场扩声设计中,为了提高声场的均匀度在一般剧场扩声设计中,为了提高声场的均匀度和利用扬声器的方向性来提高系统的传声增益,通和利用扬声器的方向性来提高系统的传声增益,通常将主扬声器设置在舞台台口上方,此时观众席的常将主扬声器设置在舞台台口上方,此时观众席的前排观众就会感觉到声音是从舞台台口的顶部传来前排观众就会感觉到声音是从舞台台口的顶部传来的,造成声像的不统一,为了解决这个问题,有时的,造成声像的不统一,为了解决这个问题,有时会在舞台两侧较低的位置,甚至在乐池栏板上布置会在舞台两侧较低的位置,甚至在乐池栏板上布置一些辅助扬声器,这些扬声器距离前排观众很近,一些辅助扬声器,这些扬声器距离前排观众很近,其声音比顶部扬声器先到达前排观众。其声音比顶部扬声器先到达前排观众。实验时间实验时间打开打开cooledit 或或 adobe audition,听听Multi_Bandwidth_orig.wav,先看波形再,先看波形再看频谱。看频谱。听一听纯音,用听一听纯音,用COOLEDIT生成。生成。
限制150内