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1、第一章 聲學基礎北京聯合大學北京聯合大學 音響工程技術課程組音響工程技術課程組4/14/2024第一節 聲波一、聲波的產生與傳播二、頻率、聲速和波長三、頻程四、聲波的特性4/14/2024一、聲波的產生與傳播一、聲波的產生與傳播聲波的產生4/14/2024一、聲波的產生與傳播一、聲波的產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間取特定值進行測量。這個頻率區間稱為頻帶。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為底的對數表
3、示，稱為頻程。4/14/2024上限和下限截止頻率的一般關系 式中：n為倍頻程的系數，或稱倍頻程數，它可以是分數或整數。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的反射、吸收、透射和繞射現象 4/14/2024波的性質 判別的關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，兩種性質在一定情況下都會表現出來，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 根據能量守恒定律，設單位時間內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 從入射波與反射波所在的空間考慮，定義材料的吸聲系數為 吸聲系數的值越大，吸聲性能越好 4/14/2024房間的平均吸聲系數 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，這種現象稱為波干
5、涉現象，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第二節第二節 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（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系，而是近似的與它們的對數值成正比用聲壓或聲強來表示聲音的強弱，數字太長，很不方便常采用按對數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：對數概念，無量綱單位，為表示方便，以dB為單位系數：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聲強級與聲壓級關系 由于聲強與聲壓存在著關系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 在工程設計和檢測中，經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相加，應按對數運算法則進行計算 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LP1LP2）疊加（dB）4/14/2024利用圖表計算聲壓級疊加 設有兩個聲源，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生的總聲壓級Lp，若其中一個聲源在該點產生的聲壓級為LP1，則另一聲源在該點產生的聲壓級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第三節第三節 聽覺的主觀感受聽覺的主觀感受一、響度一、響度二、音調二、音調三、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。（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計權網絡 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 人耳對聲音高低的感覺稱為音調 音調與聲音的頻率、持續時間、聲壓級及溫度有關 4/14/2024三、音色三、音色音色主要決定于聲音的頻譜結構樂器的音色主要取決于樂器本身的特性和質量，同時還與演奏的方式、聽音方位、演奏技巧有關一般來說，泛音多，且低次泛音的強度較大，音樂就優美動聽，音色就豐富4/14/2024第四節 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象，稱為掩蔽效應假設聽清聲音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稱為掩蔽量，即12dB為掩蔽量，52dB稱為掩蔽閾4/14/2024掩蔽規律（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。兩者呈線形關系，且這種關系不受頻率影響，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，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，人的聽覺不會發現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，達到聲像統一在拾音時，完成聲像定位在創作中，模擬虛擬空間4/14/2024第五節第五節 室內聲學基礎室內聲學基礎一、研究聲場的方法一、研究聲場的方法二、室內聽到的聲音二、
17、室內聽到的聲音三、室內聲場的建立和衰減過程三、室內聲場的建立和衰減過程四、室內聲壓級四、室內聲壓級五、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聲學問題的科學。2幾何聲學：用聲線觀點研究房間內聲學問題的科學。3.統計聲學：從能量觀點用統計學方法研究室內聲學問題的科學。4/14/2024二、室內聽到的聲音二、室內聽到的聲音4/14/2024室內接收點脈沖聲響應圖 4/14/2024三、室內聲場的建立和衰減過程三、室內聲場的建立和衰減過程4/14/2024室內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、室內聲壓級四、室內聲壓級 當一聲源在室內連續發聲時，聲波由聲源到室內各部位形成了復雜的聲場 4/14/2024聲擴散 當聲場達到穩態時，若室內各部位的聲壓相同，且室內聲波是無規則的在各個方向傳播，則可以說這種聲場是均勻的，也可以稱室內達到了聲擴散 4/14/2024室內達到擴散聲場的方法 把廳堂內表面處理成不規則形體，或設置擴散體；在墻面上交替的做聲反射和聲吸收處理；無規則的配置吸聲材料或吸聲結構 4/14/2024穩態聲場聲壓級 在室內聲場充分擴散的條件下，當聲場達到穩態時，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，（）：室內平均吸聲系數 S：室內總表面積（）Q：聲源指向性因數4/14/2024聲源指向性因數 Q=1Q=2Q=4Q=84/14/2024聲能的分布4/14/2024混響半徑 當房間常數R為一個確定的數值時，有一個由直達聲場轉變為混響聲場的轉變點，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，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、混響時間當室內聲源停
20、止發聲后，聲音衰減的過程稱為混響過程混響時間，指在達到穩態聲場后，聲源停止發聲，從聲源停止發聲到室內聲能密度衰減到原來的百萬分之一（衰減60dB）時所經歷的時間，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：與溫度有關的常數，一般取K=0.161s/m V：閉室的容積(m3
21、)A：房間吸聲量(m2)A是室內總表面積S與其平均吸聲系數 的乘積，即其中 則 其中為室內不同材料的表面積（）為室內不同材料的吸聲系數 4/14/2024克納森公式 其中，4m為空氣中的吸收系數，它不但與頻率有關，而且與溫度、濕度有關 4/14/2024室溫為20時，濕度與空氣吸收系數的關系 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 當聲源發聲時，聲波不可避免的會相互干擾，從而激發出房間內的某些固有頻率的聲音，形成駐波，即出現了房間的共振現象 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克服簡正現象和減少駐波對音質影響的方法聲源房間體積房間的長、寬、高比例室內表面的處理4/14/2024
第一章-音響工程基礎知識——聲學基礎
