声 学 基础 广州中麦电子 2005年10月“声学基础”研究的内容声源声源声声信信号号及及其其特特征征调音台调音台处理设备处理设备功放功放音箱音箱声场声场听众听众声声音音传传播播理理论论建建筑筑声声学学听听觉觉生生理理学学心心理理声声学学音音质质评评价价1.1.声信号及其特征声信号及其特征 2.2.声音传播理论声音传播理论 3.3.建筑声学建筑声学 4.4.听觉生理学听觉生理学 5.5.心理声学心理声学 6.6.音质评价音质评价声信号及其特声信号及其特 征征 振幅与频率 时间与频率 基音与泛音 人声信号 音乐信号 速度、波长与频率振幅与频率振幅：用相应参考电平来衡量（电子或声音的） ，振幅大则电平（音量）大，反之亦然；单位 dB。1.声信号及其特征振幅与频率频率：指的是音调（声音每秒振动的次数），用 Hz计量。1.声信号及其特征频率响应：指可闻频率范围内的幅度变化，用于判 断一种器材（如音箱、功放、调音台）还原信号 的平滑度。电声设备的频率响 应振幅与频率1.声信号及其特征音箱的频率响应图振幅与频率1.声信号及其特征时间与频率延时与频率的关系1.声信号及其特征同一音箱的三个频率的 重放时间与频率1.声信号及其特征相位响应：表示相位随频率的变化关系，用度数表 示。电声设备的相位响应图时间与频率1.声信号及其特征极性相反的电声设 备的相位响应图时间与频率1.声信号及其特征典型音箱的 相位响应图 ，能明显看 到低频的延 时，时间与频率1.声信号及其特征优质音箱的 相位响应图 ，低频延时 要小得多。时间与频率1.声信号及其特征相位响应的意义：人耳对时间偏移是非常敏感的（ 虽然它们很小），如果我们听两套频响非常相似 的音响系统，它们听起来是不完全一样的，因为 不同频率之间的时间偏移不一样。这是鲜为人知 的，但非常重要。时间与频率1.声信号及其特征基音与泛音l 语言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。 l 谐波失真是由于产生了原始信号中没有的频率成 分，此频率为原始频率的倍乘数，所有谐波信号 的总电平除以基波信号电平，即为总谐波失真（ THD）电声设电声设备备1.声信号及其特征人声信号l 语言：基音130350Hz，包括全部泛音130 4000Hz。 l 演唱：基音801100Hz，包括全部泛音80 8000Hz。分为男低音、男中音、男高音、女中音 、女高音五个声部。 l 声压级：正常讲话时与讲话人相距1米处的平均声 压级为6569dB。l 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3040dB。1.声信号及其特 征音乐信号l 乐器频率范围：基音164000Hz，包括全部泛音 1616000Hz。 l 声压级：1518件乐器的乐队演出时，离声源10 米处的平均声压级约为95dB。 l 动态范围：一般乐队的动态范围为4060dB，大 型交响乐队的动态范围可达到100dB。l 高质量的音响系统（音乐重放）的频率响应范围 应不小于4016000Hz，信号动态范围应不小于 5055dB。1.声信号及其特 征速度、波长与频 率/f式中 声音速度，单位m/s；频率，单位Hz；波长，单位m。1.声信号及其特 征 声信号及其特征声信号及其特征 声音传播理论声音传播理论 建筑声学建筑声学 听觉生理学听觉生理学 心理声学心理声学 音质评价音质评价声音传播理论声音传播理论 自由声场中的声音传播 声压级的叠加 混响时间 室内声场的结构 指向性扬声器的直达声场和混响 声场 声波的干涉 几种典型的声学缺陷自由声场中的声音传播l 平方反比定律：位于自由声场中的一个点声源产 生的声压级在离开声源的距离每增加一倍就减小 6dB。l 大气吸收对声音传播的影响：高频衰减。体育馆、体育场、艺术广场等大型扩声场所。l 湿度对声音传播的影响：干燥空气中的衰减比潮 湿空气中的衰减要大。室内游泳池和室外扩声系统。2.声音传播理论声压级的叠加声压级叠加列线计算图 ：2.声音传播理论混响时间l 混响时间：声场达到稳定时，从停止发声开始至 声压级衰减60dB所需的时间。l 赛宾公式：RT600.16V/S 式中V房间容积，单位m ；S房间表面积的总和，单位 m ；房间表面的平均吸声系数 。322.声音传播理论混响时间RT60对音质的影响： 混响时间短，有利于清晰度的提高，但过短 时则会感到声音干涩和响度变弱； 混响时间长，有利于声音的丰满度，但过长 则会使声音浑浊、清晰度降低并且使声音没 有方向性。混响时间2.声音传播理论各类厅堂混响时间的最佳值：混响时间2.声音传播理论室内声场的结 构l 房间中某一点生源发声时，声波以球面波方式向 四周扩散传播，声音的强度与传播距离的平方成 正比减少（平方反比定律）。 l 当声波传播到周围界面时，一部分声能被吸收， 另一部分声能被反射。 l 到达听众耳朵的声音由三部分组成：直达声、比 直达声晚50ms以内到达的早期反射声（又称近次 反射声）和比直达声晚50ms以上的多次反射声（ 有称混响声）。2.声音传播理论三种声音的贡献： 直达声：提供声源的方向、传递声音信息、提高 声音清晰度和声压级的主要来源。 近次反射声：提高声压级和声音清晰度、增强声 音的空间感。 混响声：混响声无方向性，不包含声音信息，但 它使声场分布均匀、音质丰满，可提供分辨房间 空间特性（房间的大小）的信息。过大的混响声 会降低声音的清晰度/掩蔽直达声，超过100ms延 时的混响声会形成回声，严重影响声音清晰度。室内声场的结 构2.声音传播理论指向性扬声器的直达声场和混响 声场 l 临界距离Dc：沿着声源轴线方向的直达声声能D 与混响声声能R相等的距离，即D/R=1（0dB）。l Dc=0.14QR式中Q扬声器的指向性因子 ；R房间常数（即房间的吸声量），R=Sa/(1-a)，单 位m 。 l 扬声器的Q值越高、房间的吸声越好，则Dc越大 。 l 临界距离之内，声音清晰度高；超过临界距离的 区域，随着距离的增加，声音的清晰度越来越差 。提高清晰度的有效措施：增大临界距离。 22.声音传播理论声波的干涉l 声波在传播过程中常常会发生两个相干的、有一 固定延时的宽频带音频信号合成的情况，合成后 的信号在有些频率上振幅相减、有些频率上振幅 相加，这种现象叫声波的干涉。 l 声波干涉的结果造成频率响应特性出现“峰”和“谷 ”的波动，其形状像“梳子”，因此又称为梳状滤波 器特性。2.声音传播理论声波的干涉2.声音传播理论梳状滤波器效应带来的问题： 使系统的频响特性变得不平坦，系统音质发生变 调； 增强的频率容易引起声反馈，降低了系统传声增 益。如何改正梳状滤波器特性？用图示均衡器进行频率补偿？声波的干涉2.声音传播理论降低梳状滤波器影响的方法： 改进厅堂的声学设计最根本的措施； 在多声源系统中，利用延时器减小时间差并尽量 减小延迟信号的振幅； 采用集中供声方法减少声源之间的声波干涉； 扬声器组成扬声器阵列中的高音单元尽量紧靠在 一起，减少高频声波的行程差。声波的干涉2.声音传播理论几种典型的声学缺陷l 声聚焦：弧形的表面将反射的声音聚集起来，产 生霳音。 l 声共振：当厅堂中低频声有较大声压级时，装饰 结构中的板或空腔受到激发而产生共振。 l 声阴影：厅堂中某些听音区被建筑物遮挡，达到 声无法传播到此，只能听到混响声和部分反射声 。 l 颤动回声：多发生在室内的一对平行墙之间，一 个声音在两墙壁间来回发射产生多个这样的声音 。 l 声染色：由于某种原因造成声音中的某一频率得 到过份加强或减弱时，将破坏房间内声音的均匀 性。2.声音传播理论 声信号及其特征声信号及其特征 声音传播理论声音传播理论 建筑声学建筑声学 听觉生理学听觉生理学 心理声学心理声学 音质评价音质评价建筑声学建筑声学 建筑声学的必要性 多孔吸声材料 共振吸声结构 声波扩散体建筑声学的必要性l 室内观众区听到的声音除了直达声，还有经过反 射的近次反射声和混响声，这些声音的相互作用 形成了系统的音质效果。 l 要获得良好的音响效果除必需有良好性能的音响 器材和合理的系统设计外，还需具备良好的声音 传输条件建声设计。交通工具交通工具公路公路司机司机电声系统电声系统建声条件建声条件技术人员技术人员3.建筑声学多孔吸声材料l 多孔吸声材料包括纤维材料和颗粒材料。 l 纤维材料有：玻璃棉、超细玻璃棉、矿棉等无机 纤维制品，棉、毛、麻等有机纤维织物。 l 颗粒材料有：膨胀珍珠岩、微孔砖板等块、板制 品。 l 多孔吸声材料一般有良好的中高频吸声性能。3.建筑声学共振吸声结构l 共振吸声结构包括穿孔板、薄膜吸声结构。 l 穿孔板吸声结构具有较好的中频吸声特性。3.建筑声学声波扩散体l 在墙面或声波反射强烈的地方设置声波扩散体/面 ，使声波产生漫反射和分散室内的共振频率。改 善声音的“染色”失真和颤动回声。3.建筑声学 声信号及其特征声信号及其特征 声音传播理论声音传播理论 建筑声学建筑声学 听觉生理学听觉生理学 心理声学心理声学 音质评价音质评价听觉生理学听觉生理学l 听觉生理学：研究声音响度与声压级关系的科学 。 l 等响曲线： 声信号及其特征声信号及其特征 声音传播理论声音传播理论 建筑声学建筑声学 听觉生理学听觉生理学 心理声学心理声学 音质评价音质评价心理声学心理声学l 心理声学：研究耳朵与人脑结合对听觉激励的反 应。 l 声音的掩蔽和哈斯效应：大的声音掩蔽柔和的声音，频率较低的声音掩 蔽频率较高的声音；如果两个声压级相同的声音不同时到达耳朵， 那么先到达的声音可掩蔽后到达的声音。哈斯效应心理声学心理声学 声信号及其特征声信号及其特征 声音传播理论声音传播理论 建筑声学建筑声学 听觉生理学听觉生理学 心理声学心理声学 音质评价音质评价音质评价音质评价l 声音的客观测量：频率响应曲线、最大声压级、 声场不均匀度、传声增益、失真度、混响时间等 。精确、客观，能用数据表示声音的特性；不能完全表达主观听觉的结果。l 音质主观评价：声音的丰满度、柔和度、层次感 、明亮感、圆润度、平衡度等。反映声音的音色、音调和音量的综合听觉效果；是比客观测量更为重要的一种评价方法。音质主观评价音质主观评价各频段对音质的影响： 低频（150Hz以下），是声音的基础部分，决定声 音的丰满度。 中低频（150-500Hz），是声音的结构部分，决定 声音的力度和低音的硬度。 中高音（500-4000Hz），是声音信息和声音清晰 度的主要来源部分，它还决定声音的明亮度。 高音（4000-12000Hz），是影响声音音色的主要 部分，是声音的细节所在。音质主观评价术语：A、声音宽声音窄 ： 声音宽表示频带宽、失真小、线性好、动态范围 大且分布均匀、混响合适，听感丰满舒适、音域 宽广。 声音窄表示频带窄，高、低音欠缺，中频过分突 出，混响偏小。 音质主观评价音质主观评价音质主观评价术语：B、声音亮声音暗 ： 声音亮又称明朗度或明亮度好，在整个音频范围 内，低、 中音适度，高音充足，有丰富的谐音和 缓慢的谐音衰变过程。同时混响合适，失真小， 瞬态响应好。听感声音明亮清晰、有活跃感和亲 切感。 声音暗是指缺少高频及中高频，尤其在5K6KHz 以上有明显的衰减，中、高频混响不足，听感声 音暗淡无光彩。 音质主观评价音质主观评价音质主观评价术语：C、声音厚声音薄（单） ： 声音厚是指声音厚实有力，低音丰满，高音不缺 ，