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1、第一章 聲學基礎(chǔ)北京聯(lián)合大學北京聯(lián)合大學 音響工程技術(shù)課程組音響工程技術(shù)課程組4/14/2024第一節(jié) 聲波一、聲波的產(chǎn)生與傳播二、頻率、聲速和波長三、頻程四、聲波的特性4/14/2024一、聲波的產(chǎn)生與傳播一、聲波的產(chǎn)生與傳播聲波的產(chǎn)生4/14/2024一、聲波的產(chǎn)生與傳播一、聲波的產(chǎn)生與傳播點聲源的傳播4/14/2024聲音的傳遞聲音的傳遞4/14/2024二、頻率、聲速和波長二、頻率、聲速和波長振動體每秒振動的次數(shù)稱為頻率，用符號f表示，頻率的單位是赫茲（Hz），簡稱赫。聲波在傳聲介質(zhì)中，每秒鐘傳播的距離稱為聲波的傳播速度，簡稱聲速，用符號c表示，單位是米/秒（m/s）物體或空氣分子每完
2、成一次往復運動或疏密相間的運動所經(jīng)過的距離稱為波長，用符號表示，單位是米4/14/2024頻率、波長和音調(diào)對照表 頻率（Hz）波長（m）音域分段2017.20超低音408.60506.88低音1003.442001.72中低音4000.865000.68810000.344中高音50000.0688100000.0344高音200000.01724/14/2024三、頻程三、頻程在聲學測量中，不可能測量這個范圍中的每一個頻率，而總是在某一頻率區(qū)間取特定值進行測量。這個頻率區(qū)間稱為頻帶。頻帶由上限頻率f2和下限頻率f1確定，f1、f2又稱為截止頻率。f1、f2的間隔可以用頻率比或以2為底的對數(shù)表
3、示，稱為頻程。4/14/2024上限和下限截止頻率的一般關(guān)系 式中：n為倍頻程的系數(shù)，或稱倍頻程數(shù)，它可以是分數(shù)或整數(shù)。例如：n=1/3即指1/3倍頻程；n=1即指倍頻程。4/14/2024中心頻率頻帶的中心頻率fc是上、下截止頻率的幾何平均，即4/14/20241/3倍頻程和1/1倍頻程的中心頻率和帶寬 4/14/20241/3倍頻程和1/1倍頻程的中心頻率和帶寬 4/14/2024四、聲波的特性四、聲波的特性聲波在室內(nèi)的反射、吸收、透射和繞射現(xiàn)象 4/14/2024波的性質(zhì) 判別的關(guān)鍵在于障礙物的尺寸l與波長的比值。當l時，粒子性為主；當l時，兩種性質(zhì)在一定情況下都會表現(xiàn)出來，此時情況比較
4、復雜 4/14/2024聲波的衍射(a)聲波的繞射 (b)小障板對聲傳播的影響4/14/2024聲波的反射 4/14/2024聲波的透射與吸收 根據(jù)能量守恒定律，設(shè)單位時間內(nèi)入射到物體上的總聲能為Eo，反射的聲能為Er，物體吸收的聲能為Ea，透過物體的聲能為Et，則：Eo=Er+Ea+Et 4/14/2024吸聲系數(shù) 從入射波與反射波所在的空間考慮，定義材料的吸聲系數(shù)為 吸聲系數(shù)的值越大，吸聲性能越好 4/14/2024房間的平均吸聲系數(shù) 4/14/2024聲波的干涉 若兩個頻率相同、振幅相等、相位差為零或恒定的波在同一介質(zhì)中傳播，則在空間某些地方振幅最大，在某些地方振幅最小，這種現(xiàn)象稱為波干
5、涉現(xiàn)象，這兩個波叫相干波。當振動頻率、振幅和傳播速度相同而傳播方向相反的兩列波疊加時，就產(chǎn)生駐波 4/14/2024聲源的指向性 人說話時的指向性圖案 聲源的指向性4/14/2024聲源的指向性4/14/2024指向性的影響4/14/2024第二節(jié)第二節(jié) 聲波的度量聲波的度量聲壓、聲強、聲功率聲壓、聲強、聲功率聲壓級、聲強級和聲功率級聲級的疊加4/14/2024一、聲壓、聲強、聲功率一、聲壓、聲強、聲功率由聲波引起的壓強變化稱為聲壓，用符號P表示，單位為微巴(bar)或帕（Pa）聲源在單位時間內(nèi)向外輻射的聲能量叫做聲功率，用符號W表示，單位為瓦（w）聲場中某點的聲強，是指在單位時間內(nèi)（每秒鐘）
6、，聲波通過垂直于聲波傳播方向單位面積的聲能量，用符號I表示，單位為瓦/米2（w/m2）4/14/2024平方反比定律 在無反射聲波的自由聲場中，點聲源發(fā)出的球面波，均勻向四周輻射聲能，因此，距離聲場中心為r的球面上的聲強為 4/14/2024二、聲壓級、聲強級和聲功率級 人的聽覺與聲壓、聲強不是呈正比例關(guān)系，而是近似的與它們的對數(shù)值成正比用聲壓或聲強來表示聲音的強弱，數(shù)字太長，很不方便常采用按對數(shù)方式分級的辦法作為表示聲音大小的常用單位，這就是聲壓級、聲強級和聲功率級4/14/2024級級：對數(shù)概念，無量綱單位，為表示方便，以dB為單位系數(shù)：用于擴大計算值的表示范圍，對于力、長度單位，取值為2
7、0，對于能量概念，取值為10 公式計算值會因參考值的變化而變化4/14/2024聲壓級（Lp或SPL）（dB)式中，參考聲壓Pref=210-4（bar）=210-5（Pa），為1kHz時的聞閾聲壓值 4/14/2024聲強級（LI或SIL）式中，參考聲強Iref=10-12（w/m2）為1kHz時的聞閾聲強值 4/14/2024聲強級與聲壓級關(guān)系 由于聲強與聲壓存在著關(guān)系I=p2/c，將其代入式中得 4/14/2024聲功率級（Lw或SWL）式中，參考功率Wref=10-12（w）為1kHz時的聞閾聲功率值 4/14/2024三、聲級的疊加 在工程設(shè)計和檢測中，經(jīng)常需要進行聲級的疊加或分解，
8、如計算多個聲源的總聲級、給定的倍頻程或1/3倍頻程聲級的總聲級等 4/14/2024聲壓的疊加 當幾個不同聲源同時作用時，在某處形成的總聲強是各個聲強的代數(shù)和，即I=I1+I2+In，而總聲壓（有效聲壓）是各聲壓的均方根值。即4/14/2024聲級的疊加聲壓級、聲強級、聲功率級疊加時，不能簡單地進行算術(shù)相加，應按對數(shù)運算法則進行計算 4/14/2024n個聲壓相等的聲音疊加 若n=2，則 4/14/2024兩個不等的聲壓級LP1和LP2（設(shè)LP1LP2）疊加（dB）4/14/2024利用圖表計算聲壓級疊加 設(shè)有兩個聲源，聲壓級分別為LP1、LP2，且LP2LP1，兩個聲壓級之差D=LP2-LP
9、1（dB），則疊加后的總聲壓級為（dB）式中，N值可由下圖或右表查得 LP1-LP200.10.20.30.40.50.60.70.80.901234567891011121314153.02.52.11.81.51.21.00.80.60.50.40.30.30.20.20.13.02.52.11.71.41.21.00.80.60.52.92.52.11.71.41.20.90.80.60.52.92.42.01.71.41.10.90.70.60.52.82.42.01.61.41.10.90.70.60.52.82.31.91.61.31.10.90.70.60.52.72.31.91
10、.61.31.10.90.70.60.52.72.31.91.51.31.00.80.70.60.42.62.21.81.51.21.00.80.70.50.42.62.21.81.51.21.00.80.70.50.4注：表中“”表示同左4/14/20244/14/2024聲級的分解 已知兩個聲源在某點產(chǎn)生的總聲壓級Lp，若其中一個聲源在該點產(chǎn)生的聲壓級為LP1，則另一聲源在該點產(chǎn)生的聲壓級LP2=LP-L，其中L可由表查出。這種方法常用來從總聲級中除去環(huán)境噪聲等 L0-L112345678910L（dB）6.94.4 3.02.31.7 1.25 0.95 0.750.60.454/14/
11、2024第三節(jié)第三節(jié) 聽覺的主觀感受聽覺的主觀感受一、響度一、響度二、音調(diào)二、音調(diào)三、音色三、音色4/14/2024一、響度一、響度 響度是人耳對聲音強弱的主觀感受，用符號S表示 4/14/2024等響度曲線 4/14/2024說明（1）響度級與聲壓級有關(guān)。（2）等響度曲線在聲壓級的值低時變化快，斜率大，而在高聲壓級時就比較平坦，這種情況在低頻時尤為明顯。（3）不同的頻率，響度級的增長率各不相同4/14/2024聲壓級與響度感覺 聲壓級的變化響度感覺1 dB幾乎覺察不出來3 dB剛可覺察5 dB明顯改變10 dB響度加倍（或輕一半）4/14/2024計權(quán)網(wǎng)絡 4/14/2024人耳的聽覺范圍
12、4/14/2024強度差閾最小可辨別的聲壓級差 聲壓級高于聽閾的dB數(shù)純音頻率 fHz白噪聲357020010004000700010000510203040506070809010011072443l2721764222381541040750610674753441931240860680530450410413032351461000720530110330290290290252481700970680490410290250250210214052831490900680610530490450414723341701100860750680610571801200470440420
13、41041當頻率約為1000Hz而聲壓級超過40dB時，人耳能覺察到的頻率變化范圍約為03；聲壓級相同，但頻率少于1000Hz時，人耳能覺察到3Hz的變化 4/14/2024二、音調(diào) 人耳對聲音高低的感覺稱為音調(diào) 音調(diào)與聲音的頻率、持續(xù)時間、聲壓級及溫度有關(guān) 4/14/2024三、音色三、音色音色主要決定于聲音的頻譜結(jié)構(gòu)樂器的音色主要取決于樂器本身的特性和質(zhì)量，同時還與演奏的方式、聽音方位、演奏技巧有關(guān)一般來說，泛音多，且低次泛音的強度較大，音樂就優(yōu)美動聽，音色就豐富4/14/2024第四節(jié) 人耳的聽覺特性 一、掩蔽效應二、雙耳效應（方位感）三、哈斯效應4/14/2024一、掩蔽效應一、掩蔽效
14、應一個聲音的聽閾因另一聲音的存在而提高的現(xiàn)象，稱為掩蔽效應假設(shè)聽清聲音A的閾值為40dB，若同時又聽見聲音B，這時由于B的影響使A的閾值提高到52dB，即比原來高12dB。這個例子中，B稱為掩蔽聲，A稱為被掩蔽聲。被掩蔽聲聽閾提高的分貝數(shù)稱為掩蔽量，即12dB為掩蔽量，52dB稱為掩蔽閾4/14/2024掩蔽規(guī)律（1）被掩蔽聲的頻率越接近掩蔽聲，掩蔽量越大，頻率相近的純音掩蔽效果顯著。最大掩蔽出現(xiàn)在掩蔽頻率附近。（2）掩蔽聲的聲壓級越高，掩蔽量越大，且掩蔽的頻率范圍越寬。實驗表明，掩蔽聲增加10dB，掩蔽閾也增加10dB。兩者呈線形關(guān)系，且這種關(guān)系不受頻率影響，既適合于純音，也適合復音。（3）
15、掩蔽聲對比其頻率低的純音掩蔽作用小，而對比其頻率高的純音掩蔽作用大。4/14/2024非同時掩蔽特點（1）掩蔽聲在時間上越接近被掩蔽聲，掩蔽量越大，即掩蔽效應越強。（2）掩蔽聲與被掩蔽聲相距時間很近時，后掩蔽作用大于前掩蔽作用，即后掩蔽在實踐中更重要。（3）掩蔽聲強度增加時，掩蔽量并不按比例增大。例如掩蔽聲增加10dB，掩蔽量只提高3dB，這與同時掩蔽效果不同。（4）單耳的掩蔽效應比雙耳顯著。4/14/2024二、雙耳效應（方位感）二、雙耳效應（方位感）對一定聲壓級的純音，雙耳聽起來比單耳聽起來響兩倍對強度和頻率，雙耳的辨別力都高于單耳低頻信號的定向是以雙耳的時間差為依據(jù)，高頻信號的定向，決定
16、于兩耳間的聲級差4/14/2024三、哈斯效應三、哈斯效應當兩個聲音到達人耳的時間差不超過20ms時，人的聽覺不會發(fā)現(xiàn)實際上存在有兩個聲源。當兩個聲源在方位上較接近時，時間差可達30ms而不被人的聽覺所覺察。當時間差增加到3550ms時，后到達人耳的聲音將被感覺到，但此時人的聽覺仍不能把兩個聲音分開。當時間差超過50ms時，若后到達的聲音有足夠的聲級，則會干擾先到的聲音，形成回音效果。4/14/2024哈斯效應應用 在聽音時，達到聲像統(tǒng)一在拾音時，完成聲像定位在創(chuàng)作中，模擬虛擬空間4/14/2024第五節(jié)第五節(jié) 室內(nèi)聲學基礎(chǔ)室內(nèi)聲學基礎(chǔ)一、研究聲場的方法一、研究聲場的方法二、室內(nèi)聽到的聲音二、
17、室內(nèi)聽到的聲音三、室內(nèi)聲場的建立和衰減過程三、室內(nèi)聲場的建立和衰減過程四、室內(nèi)聲壓級四、室內(nèi)聲壓級五、混響時間五、混響時間六、房間共振六、房間共振4/14/2024一、研究聲場的方法 1.波動聲學：用波動觀點研究室內(nèi)聲學問題的科學。2幾何聲學：用聲線觀點研究房間內(nèi)聲學問題的科學。3.統(tǒng)計聲學：從能量觀點用統(tǒng)計學方法研究室內(nèi)聲學問題的科學。4/14/2024二、室內(nèi)聽到的聲音二、室內(nèi)聽到的聲音4/14/2024室內(nèi)接收點脈沖聲響應圖 4/14/2024三、室內(nèi)聲場的建立和衰減過程三、室內(nèi)聲場的建立和衰減過程4/14/2024室內(nèi)吸收不同對聲音增長和衰減的影響 a吸收較少；b中等吸收；c吸收較強4
18、/14/2024四、室內(nèi)聲壓級四、室內(nèi)聲壓級 當一聲源在室內(nèi)連續(xù)發(fā)聲時，聲波由聲源到室內(nèi)各部位形成了復雜的聲場 4/14/2024聲擴散 當聲場達到穩(wěn)態(tài)時，若室內(nèi)各部位的聲壓相同，且室內(nèi)聲波是無規(guī)則的在各個方向傳播，則可以說這種聲場是均勻的，也可以稱室內(nèi)達到了聲擴散 4/14/2024室內(nèi)達到擴散聲場的方法 把廳堂內(nèi)表面處理成不規(guī)則形體，或設(shè)置擴散體；在墻面上交替的做聲反射和聲吸收處理；無規(guī)則的配置吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu) 4/14/2024穩(wěn)態(tài)聲場聲壓級 在室內(nèi)聲場充分擴散的條件下，當聲場達到穩(wěn)態(tài)時，在距該聲源r處的聲壓級為 其中：W：聲源的聲功率（w）LW:聲源的聲功率級（dB）r：接收點離開聲
19、源的距離（m）R：房間常數(shù)，（）：室內(nèi)平均吸聲系數(shù) S：室內(nèi)總表面積（）Q：聲源指向性因數(shù)4/14/2024聲源指向性因數(shù) Q=1Q=2Q=4Q=84/14/2024聲能的分布4/14/2024混響半徑 當房間常數(shù)R為一個確定的數(shù)值時，有一個由直達聲場轉(zhuǎn)變?yōu)榛祉懧晥龅霓D(zhuǎn)變點，該點的直達聲聲能密度等于混響聲聲能密度。該點與聲源的距離稱為臨界距離rC，也稱混響半徑。（m）在臨界距離以內(nèi)，即聽音點到聲源的距離rrC，直達聲起主要作用；在臨界距離以外，即rrC，混響聲起主要作用。只有在與聲源的距離大于rC時，改變室內(nèi)吸聲量才會對聲場特性有明顯影響 4/14/2024五、混響時間五、混響時間當室內(nèi)聲源停
20、止發(fā)聲后，聲音衰減的過程稱為混響過程混響時間，指在達到穩(wěn)態(tài)聲場后，聲源停止發(fā)聲，從聲源停止發(fā)聲到室內(nèi)聲能密度衰減到原來的百萬分之一（衰減60dB）時所經(jīng)歷的時間，記作T604/14/2024不同類型廳堂的最佳混響時間（500 Hz）廳堂用途混響時間（s）廳堂用途混響時間(s)電影院、會議廳1.0-1.2電視演播廳0.8-1.0演講、戲劇、話劇1.0-1.4語言錄音0.3-0.4歌劇、音樂廳1.5-1.8音樂錄音1.4-1.6多功能廳堂1.3-1.5多功能體育館小于1.84/14/2024塞賓公式 式中：T60：混響時間（s）K：與溫度有關(guān)的常數(shù)，一般取K=0.161s/m V：閉室的容積(m3
21、)A：房間吸聲量(m2)A是室內(nèi)總表面積S與其平均吸聲系數(shù) 的乘積，即其中 則 其中為室內(nèi)不同材料的表面積（）為室內(nèi)不同材料的吸聲系數(shù) 4/14/2024克納森公式 其中，4m為空氣中的吸收系數(shù)，它不但與頻率有關(guān)，而且與溫度、濕度有關(guān) 4/14/2024室溫為20時，濕度與空氣吸收系數(shù)的關(guān)系 30405060708010000.0050.0040.0040.0040.0040.00320000.0120.0100.0100.0090.0090.00840000.0380.0290.0240.0220.0210.02063000.0840.0620.0500.0430.0400.03880000.1270.0950.0770.0650.0570.0534/14/2024六、房間共振六、房間共振 當聲源發(fā)聲時，聲波不可避免的會相互干擾，從而激發(fā)出房間內(nèi)的某些固有頻率的聲音，形成駐波，即出現(xiàn)了房間的共振現(xiàn)象 4/14/2024矩形房間中的共振 方式：(2，0，0)方式：(1，1，0)方式：(2，1，0)4/14/2024計算房間共振頻率的普遍公式 4/14/2024克服簡正現(xiàn)象和減少駐波對音質(zhì)影響的方法聲源房間體積房間的長、寬、高比例室內(nèi)表面的處理4/14/2024
第一章-音響工程基礎(chǔ)知識——聲學基礎(chǔ)
