音响工程师必备是知识之声学基础.doc

澳迪尔音响http:/www.gdaudia.com音响工程师必备知识之声学基础(一)声学基础声音在人类生活中具有重要意义，人们就是靠声音传递语言、交流思想的。声音来源于物体的振动。例如人的发声是由声带动引起的;扬声器发声则产生于扬声器膜片的振动;锣、鼓是靠锣面、鼓面膜的振动发声的;弦乐器是靠弦的振动发声的;笛、箫等则依靠空气柱的振动发声正在发出声音的振动物体称为声源，传播声音的必要条件。没有物体的振动有传声介质(如在真空中)，同样也没有声音。声音不仅能在气体中传播，在固体和液体中也能够传播。当声源在空气中振动中，使邻近的空气随之产生振动并以波动的方式向四周传播，传至人耳将引起耳膜振动，最后通过听觉神经产生声音的感觉对于专业音响工作者来说,掌握一些声学基础和生理声学方面的知识是至关重要的。声音信号的特性语音和音乐信号都是不规则的随机信号，由基频信号和各种谐波(泛音)成分组成。要“原汁原味”地重放这些随即音频信号，扩声音响系统必须具备符合语言和音乐的平均特性。其中最重要的三个特性是平均频谱(频率响应特性)、平均声压级和声音的动态范围。 1、人声信号人声信号是一种典型的随机过程，它于人的生理特点、情绪与语言内容等因素有关。1)、语言 基音的频率范130-350HZ包括全部谐波(泛音)频率范围为130-4000HZ2)、演唱 歌声的频率范围比较宽，可分为男低音、男中音、男高音、女高音等5个声部。基音的频率范80-1100HZ，包括全部谐波(泛音)频率范围为80-8000HZ。5个声部的范围是：80-294HZ;110-392HZ;147-523HZ;196-698HZ和262-1047HZ。3)、声压级 正常谈话时语言的声功率为1微瓦，大声讲话时可增加到1毫瓦。正常讲话时与讲话人距1米时的平均声压级为65-69dB。4)、动态范围 语言的动态范围(最大声压级与最小声压级之差值)为20-40dB，戏剧60-80dB。2、音乐信号音乐信号的频谱范围很宽。它与乐器的类型有关。在乐器中管风琴具有最宽的基音范围，从16-9000HZ，其次是钢琴，它的基音范围为27.5-4136HZ。民族乐器的基音范围为100-2000HZ。所有的乐器都包含有丰富的高次谐波(泛音)。因此音乐的频谱范围可扩展到15000-20000HZ。高质量的音响系统(音乐重放)的频率响应(频率特性)范围不小于40-16000HZ。信号动态范围不小于50-55 dB。描述一个音乐信号的特性还有另外一些量，例如颤音特性、持续时间以及声音的建立和衰减时间等，这些量反映了音乐的瞬态特性。人声和音乐信号还有一个重要特性，就是最大声压级(持续时间较短的瞬时信号)与长时间内平均声压级之差称为声音信号的峰值因子，它是声音信号动态范围的组成之一，不同节目信号的峰值因子是不同的，为保证声音重放时不失真，系统的动态范围设计必须满足节目要求。测量表明，语言信号的能量集中在130-4000HZ的中低音和中音范围内。音乐信号的能量分布范围很宽，从30-16000HZ随着频率的升高而减小，低音(包括80HZ以下的超低音)能量最大;中低音的强度稍低，高音强度则迅速下降。因此扬声器箱中的低音、中音和高音扬声器单元的功率配置必须与之相适应。当分频频率为570HZ时，低音和中高音的功率比为1.42;当分频频率为900HZ时，低音和中高音的功率比为1.78;当分频频率为1430HZ时，低音和中高音的功率比为2.54。3、复杂信号波形的频谱无论人声、乐器声还是自然界中各种声音都不是单音(或纯音)，而是复合音，其波形都不是正弦波，但它们都可以分解成若干强度的不同频率的谐波。声音的音色主要由这些谐波的数量、强度、分布和它们之间的相位关系决定。自然界中的随机噪声是非周期性重复波形，包含在系统给定频响特性范围内的全部频率分量。白噪声的频谱图，因为它的频谱结构像可见光的频谱，所以叫白噪声。其特点是在频响范围内，每个频率的能量相等，从我们耳朵的频率响应听起来它是非常明亮的“咝”声(每高一个八度，频率就升高一倍。因此高频率区的能量也显著增强)。用来测试音箱的谐振和灵敏度。粉红噪声每个八度带有相同能量的随机噪声。我们的耳朵将以“平直”的频率响应接受这些声音(因为粉红噪声建立于八度的基础而不是个别的频率，因此频率变高的时候能量并不增加)。因为这一特性和实时分析仪(RTA)关注一个八度或1/3八度的音域，粉红噪声对于测量音频设备的频率响应和决定房间的扩音应用非常有用。噪声的颜色是一种形象的表达。光谱中低频是红色，高频是紫色，如果全频带的都有就是白色。所以噪声也这样形象化，全频带强度一样就叫白噪声，粉红噪声则是低频占的比例较多，若光谱程这种分布就会呈现分红色。其他颜色的噪声你可以以次类推。自然界的噪声大多是粉红噪声。音响工程师必备知识之声学基础(二)声波弹性介质中传播的机械波，即介质质点的位移、介质内部的压强或密度的扰动在介质中逐点传播的过程。声音是声波作用于人耳引起的感觉。声波按频率可分为次声波、可听声波和超声波3种。次声波的频率范围为10-420赫，可听声波的频率范围为202×104赫，超声波的频率范围为2×1041012赫以上，频率在1012赫以上的声波称为特超声波。只有可听声波才能引起人耳的听觉。声源 能发射声波的振动体的总称，通常是振动的固体(如板、杆、膜、弦等)或振动的空气柱(如哨、笛等)，前者称机械声源，后者称空气动力声源。自然界存在各种各样的声源，人们还制造了用于不同目的的人工声源，如各种乐器、扬声器、电致伸缩和磁致伸缩换能器等电声转换器件。除上述宏观声源外，在固体内部发生的微小动力变化也能发声，例如范性形变引起的整体沉陷、位错破裂、微小断口的扩展等，这些发声一般都是脉冲式发声。声源的主要特性包括频率特性、发射声功率和声发射的指向性等。一般声源能发射各种频率的声波，对声波进行频谱分析和测量是研究声源特性的重要方面。单位时间内从声源发射出来的平均能量称为声源的声功率。一般的声源所发射的声波在不同方向上有不同的强度，研究和测量声发射的指向性对声波的利用无疑极为重要。声速 声扰动或振动在介质中的传播速度称为声速，声速一般由介质的性质和温度等因素确定。对线性声波(波动过程中自变量与应变量成线性关系，例如质点所受的恢复力与位移成正比)，声速与振幅无关，对非线性波(自变量与应变量的关系中包括高于一次的项，声速不仅由介质性质确定，而且还与振幅有关。大振幅的声波常表现出非线性。1大气压、20摄氏度时空气中声速的计算值为340米/秒，这与实测值相符。流体(气体或液体)中的声波是纵波，而固体中可同时存在纵波和横波(见波)，两者有不同的传播速度。对各向异性的固体，横振动方向不同的波一般有不同的传播速度。声压 在流体介质中传播的声波属压强扰动的传播，当有声波在介质中传播时，各部分产生压缩和膨胀的周期性形变，并导致压强的周期性变化，压缩时压强增大，膨胀时压强减小。瞬时压强与静压强的差值称为瞬时声压，压强周期性变化的峰值称峰值声压，瞬时声压对时间的方均根值称为有效声压，通常所说的声压均指有效声压。声压是声学测量中的一个基本量，单位为帕。实际中常用声压级Lp来描述声音的强弱，声压级的定义为：式中P为有效声压，P0为基准声压，对空气中的声波，P0=2×10-5帕。上式中的对数是以10为底的常用对数。声压级的单位为分贝。声能 声波在介质中传播时，引起介质质点的运动和介质的形变，其动能和势能的总和称声波的能量。单位体积中的声能称声能密度。声波传播时伴随着声能的传递，单位时间内通过某一截面的声能称声能通量。单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的平均声能(即平均能流密度)称为声强，声强单位为瓦/米2。声强通常用声强级L量度，声强级的定义为：式中I为声强;I0为基准声强，通常取I0=10-12瓦/米2，声强级单位亦称分贝。声吸收声波在介质中传播时部分声能转换成热能，从而导致声波减弱的现象。有多种原因造成声吸收：流体介质的粘滞性，声波引起的质点振动因受粘滞力作用而衰减，称为声波的粘滞吸收。介质的导热性，当介质中存在声波时，介质发生压缩和膨胀的周期性变化，压缩区使温度升高，膨胀区温度下降，于是在压缩区和膨胀区间产生温度梯度，引起不可逆的热传导，导致声能的耗散，称为声波传导吸收。介质内部存在的弛豫过程。介质中无声波时，介质分子的热运动状态、可逆化学反应和介质微观结构等都处于平衡状态;当存在声波时，平衡状态遭破坏，建立新的平衡需要时间，称为弛豫过程，弛豫过程伴随着熵的增加，这意味着有规声能向无规热能的转化，称为声波弛豫吸收。声吸收不仅取决于介质本身的性质，而且还与频率有关。研究空气、海水、地壳和各种建筑材料的声吸收情况有重要实际意义，是建筑设计、声响技术、地震波应用等方面必须考虑的因素。此外，通过介质对声波的宏观吸收规律可探索与分子运动有关的介质特性，这是分子声学所要研究的内容。音响工程师必备知识之声学基础(三)声波的反射、吸收和透射声波在传播过程中，除传入人耳引起声音大小、音调高低的感觉外，遇到障碍物如孔洞等还将产生声波的反射、绕射、吸收、透射以及在室内由于多次反射所引起的混响等现象。这些现象在建筑声学设计中有着重要的作用。当声波在传播过程中遇到尺度比波长大得多的障板(界面或障碍物)时，就会被反射，满足反射定律。反射定律的基本内容是：(1) 入射声线、反射声线和反射面的法线在同一平面内。(2) 入射声线和反射声线分别位于法线的两侧。(3) 入射角等于反射角。声波的干涉在观众厅内通常会出现声干现象。例如，从声源发出的直射声波和来自壁面或平顶的反射声波在空间各点要相互干涉。如果是单频声(即纯音)，这种干涉现象必然引起空间各点声场之间的很大差异，有些地方声波会加强，有些地方声波会减弱，甚至抵消而形成“死点”。使干涉效应不太明显。在一般情况下，观众厅的尺度(长、宽、亮)比低频小波长大十几倍，形状也不“破坏”引起干涉的条件。因此，在大型观众厅内，干涉现象就不那么严重。只有在小室内，如录音、播音、监听和琴室等小房间需特别注意这一问题。声波入射到建筑构件(如墙、板等)时，声能一般分为三个部分。(1)一部分能量被反射，即前面所述的声波的反射。例如，大理石、玻璃等硬而光滑的材料能够把绝大部分的声波反射回去。(2)一部分能量透过构件，即声波遇到障碍物时，其疏密相间的压力将推动障碍物发生相应的振动。其振动又引起另一侧的传声介质随之振动。声音透过障碍物的现象称为声波的透射。墙、楼板的质量越轻，声波就越容易推动客观存在们发生振动动。墙、楼板的透射本领越好，则说明其隔声能力越差。回声现象回声是反射声中的一个特殊现象。具体来说，出现回声的第一个条件是直达声与反射声之间的声程差大于17m，相应的时差超过50ms;另一个条件是该反射声的声压级足够高。对着远处的山崖或高大的建筑物喊一声，就可以听到清晰的回声。北京的天坛，不仅以它宏伟庄严的建筑艺术而闻名世界，令人神往的还有那回音壁和三音石。回音壁是明代修建的，已有五百年历史，它是一个圆形的墙壁，高约6m，直径为65m，砖墙很坚硬光滑，是很好的声音反射体。一个人对着回音壁说话，他发出的声波沿着壁面多次反射，在另一处可听到他的声音。站在位于围墙圆心和三音石上拍一下手，就能够听到连续两三次回声。这充分显示了我国劳动人民的智慧。厅堂设计中出现回声将成为严重的音质缺陷。它引起对听闻的干扰。为了要消除回声，就应使到达听者的直达声与反射声之间的时差小于50ms，相应于直达声与反射声之间的声程差距小于17m(声速按340m/s计算)，如大于17m，就有可能形成回声。应该指出，回声的消除还可用吸声材料(结构)或设置扩散结构等方法，不中是缩小直达声与反射声的声程差。室内声学原理在建筑设计中，建筑师经常遇到封闭窨的声学问题。声波在封闭空间中(如剧院观众厅、播音室等)的传播及其特性比在露天的场合更为复杂。首先，声源在室内发声与传播，听者也在室内接收;其次是界面(墙壁、顶棚、地面等)会对声波产生扫射、吸收、扩散和透身，形成室内声学的特点。因此，为了做好声学设计，应对声音在室内传播的规律及室内声场的特点有所了解。分析声波在室内传播情况，可以用波动声学(物理声学)的理论进行分析，但这将涉及到一些复杂的数学推导。对于室内声音的形成，除了考虑其分布外，还需要考虑到达某一接收点的直达声和各个反射声，在时间上有先后。当一声源在室内发声时，声波由声源到室内各接收点形成了复杂的声场。对于任一接收点，其所接收的声音可以简单地看作由三部分组成，第一部分为直达声，它是由声源直接到接收点而不受界面影响的声音，其声音强基本上按照距离平方反比而衰减;第二部分为早期反射声。它是指在直达声之后相对延迟时间为50ms内到达的反射声。这种短延时的反射声难以与直达专长分开，对直达声起到加强作用;第三部分为混响声，它是在前次反射后陆续到达的、经过多次反射的声音的统称。影响声的长短与强度将影响厅堂音质，如清晰度和丰满度等。当声源在室内辐射声能时，声波在空间传播，当遇到界面时，部分声能被吸收，部分被反射。声波继续传播时，又第二次、第三次以及多次地被吸收的反射。这样，在空间就形成了一定的声音密度。随着声源不断地供给能量，室内声能密度将随时间增加而增加。这就是声音的增长过程。这时，单位时间内被室内吸收的声能与声源供给的声能相等，室内声能密度就不再增加，而处于稳态平衡。对于一个室内吸声量大、容积也大的房间，接近稳态前的某一时刻的声能密度，比一个吸声量、容积均小的房间要弱。所以，在房间声学设计时，需恰当地确定容积和室内吸声量。当声音达到稳态时，若声源突然停止发声，室内接收点上的声音并不会像在露天那样立即消失，而要有一个衰变过程、首先直达声消失，反射声将继续下去，每反射一次，声能被吸收一部分，因此，室内声能密度将逐渐减弱，直到完全消失，我们称之为“混响过程”或“交混回响”。室内声音的增长、稳态和衰变过程可以看出，当室内表面反射很强时，声源发声后，可获得较高的声能密度，而进入稳态过程的时间稍晚一点。当声源停止发声后，反射声消失的时间拖得长些，即声音变较慢。若室内表面吸声量增加，则与上述情况相反，短时间内达到稳态，且声能密度小，其混响过程也短一些。音响工程师必备知识之声学基础(四)房间共振一些内装修材料比较坚硬的房间内，当声源发声时，常会激发这个房间内的某些固有频率(或称简正频率)的声音，即出现民房间共振现象。当发生共振现象时，声源中某些频率特别地加强加了。例如，噪声能使灯罩或窗玻璃产生振动而发声，而且声音的音调一一定的。说明物体被一外界干扰振动激发时，将按照客观存在本身所具有的共振频率之一而振动。激发频率越接近物体的某一共振频率，共振响应就越大。就一个管乐来说，是管中的空气柱在共振，其共振频率主要由空气柱的长度来决定。在一个房间中，空气振动的共振频率由主要由房间的大小来决定。此外，这种房间共振还表现为使某些频率(主要是低频)的声音在空间分布上很不均匀，即出现了在某些固定位置上的加强(峰)和某些固定位置上的减弱(谷)。声源的指向性人的头和扬声器与低频声的波长相比是小的，这种情况下可视为无指向性点声源，但对高频声，就具有明显的指向性。频率高，声波波长短，声源下面的声压比背面和侧面大得多，直达声声能就集中于辐射轴线附近，指向性强;而低频声，声源前后的声压变化不大。实际上，演员在舞台上的对白或演唱，随频率的高低都带有指向性。人在话讲时，并不是均匀地向四周辐声音的，而是下面最响，背后最轻，也即沿着嘴唇前面有一定的指向性，与发声者相同距离的前、后位置，对于较高频率的语言声，其响度的差别可达1倍以上。因此，站在讲话者后面或侧面的人，由于直达声中缺少很重要的高频成分，很难清听懂。如果适当地在讲话者的周围加设反射面，可以提高讲话者后面的清晰度，但高频声比低频声更容易被墙面材料和空气所吸收，所以在讲话者后面时听起来总是比较差些。所以，厅堂形状的设计、场声器位置的布置，都要考虑声源的指向性。混响时间什么是混响时间?当室内声场达到稳态，声源停止发声后，声压级降低60dB所经历的时间称为混响时间，记作T60或RT，单位是秒(s)。混响时间是目前音质设计中能定量估算的重要评价指标。它直接影响厅堂音质的效果。长期以来，人们对混响过程进行曲了研究，得出了适用于实际工程的混响时间计算公式：赛宾公式和伊林公式。但是，这两个公式有以下的假设条件：首先，室内的声音是充分散的，即室内任一点的声音强度一样，而且在任何方向上的强度也一样;其次，室内声音按同样的比例被室内各表面吸收，即吸收是均匀。当房间容积越大，界面吸声量直小时，则每次反射经过的路程就越长，声音衰变就越慢，因此混响时间将越大。在计算混响时间时，通常要计算125、250、500、1000、2000和4000Hz六个频率的值。对于录音室和播音室有时还应追加 63Hz和8000Hz的混响时间。