声学基础之声波的基本特征

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所属分类:声学基础
摘要

声波和声音,声波的传播速度(声速,音速),声波的频率,声波的周期,声波的波长,声波的振幅(峰值),声波的相位,声波的谐波,声波的包络。

声学基础之声波的基本特征

声波和声音

声波是机械振动或气流扰动引起周围弹性介质发生波动的现象。声波也称为弹性波。声波的定义有两种:一是弹性媒质中传播的压力、应力、质点位移、质点速度等的变化或几种变化的综合;二是声源产生振动时,迫使其周围的空气质点往复移动,使空气中产生附加的交变压力,这一压力波称为声波。产生声波的物体称为声源。传播声波的物体称为媒质。声波所波及的空间范围称为声场。

扬声器发声时,会引起周围空气的振动而产生声波,其传播方向与空气质点振动方向相同。因此,可以说声波是一种纵波。

声音是声源振动引起的声波传播到听觉器官所产生的感受。所以我们说,声音是由声源振动、声波传播和听觉感受这三个环节所形成的。

声波的传播速度(声速,音速)

声波在媒质中的传播速度与媒质的密度、弹性及温度有关。常用符号C表示。单位为:m/s(米/秒)。

声速与温度的关系式为:C = Co √?1 + t/273 m/s

式中Co为温度摄氏O°时的声速,其值为331.4 m/s。经计算,在温度为15°C时的声速为340 m/s。

声波也可在液体和固体中传播,例如在在水中的声速为1450 m/s;在钢铁中的声速为5000 m/s。都比在空气中传播要快得多。

声波的频率

声波的频率是指声源在一秒钟内所振动的次数,或是空气中分子在一秒钟内疏密变化的次数。用符号fsa表示。单位为Hz(赫兹)。

当声源振动的频率在20Hz – 20000kHz时,人耳可以听到有声音的感觉。我们把这段频率范围称作音频。低于20Hz的声音称为超低频(或称次声波),高于20000Hz的声音称为超音频(或称超声波)。

在可闻的音频范围内,声音的频率越高,则音调越高,听起来有尖锐、尖细的感觉;频率越低,则声音有低沉的感觉。

声波的周期

当声源完成一次振动,空气分子形成一次疏密变化所经历的时间称为一个周期。用符号T表示。单位为S(秒)。

很显然,声波的周期即是声波频率的倒数。可用式T = 1/f来表示。

声波的波长

声波振动一个周期,所传播的路程称为声波的波长。也就是说从一个波峰(压缩)到下一个波峰之间的物理距离叫做波长。波长符号用λ来表示。单位为m(米)。

根据声波的特性,声波的传播速度、频率及波长三者之间的关系可用下式来表示:

C = fλ 或λ= C/f

从上式可看出,在给定的温度条件下(声速已知),频率与波长成反比。

声波的振幅(峰值)

声波的振幅是指空气分子疏密变化的位移大小。振幅越大,则位移也越大。反之亦然。如果声波是一种正弦波时,其最大值与零之间的值叫峰值。最大正值与负值之间的值叫峰–峰值(p-p值)。均方根(有效值rms)是为研究这些值进行有意义的平均,它最接近于人耳所感觉到的声音信号的大小。

均方根(有效值)= 0.707 x 峰值

声波的相位

声波的相位是指波形的周期内从起始点至波峰、波谷或任意一点之间的度数来表示。相位用度来计量,一个完整的声波周期就是360度。我们定声波的起始点为0度,波峰处为90度(1/4周期),波谷处为270度,一个周期的结束点处是360度。

如果有两个相同的波在一起传播,但是一个波相对于另一个波延迟了一些时间传播,则两个波之间有了相位移(或称相位差)。如果延迟时间越长,相位移也就越大。相位移也用度来度量。

如果两个相同波的相位移为180度时,一个波的波峰与另一个波的波谷相重合。这时把这两个波组合在一起时,波形会消失。这种现象叫做相位抵消。

常见的梳状滤波效应就是因为由相位抵消的现象而引起的。在用多支话筒拾取声音时,如果话筒摆放不当,也会因这种相位抵消的现象而听到有一种既空洞而又奇怪的感觉。

声波的谐波

我们听单一频率的声波时是一种单一音调的纯音的感觉。它发出的声波是以一种正弦波的形式出现。例如敲打音叉、三角铁时所发出的声音。但在实际的音乐乐器声中,很少能产生单纯的正弦波,它们都是以多个不同频率的声波组合来出现的。一个声音中所出现的频率,除了基波频率以外,还有比基波频率高出许多的各种频率,我们把这种频率成分称之为泛音,如果泛音的频率是基波频率的整数倍,那末这些泛音称之为谐波。例如音调A的基波频率为440Hz,它的二次谐波为880Hz,三次谐波为1320Hz等。

在各种乐器演奏的声音中,泛音的波形幅度和相位各不相同,有些波形像方波、三角波、锯齿波等已经和正弦波有很大的差别。但是对于上述有关声波的特性来说还是完全适用的。

谐波和它们的幅度是决定声音音色的一个特征。

声波的包络

鉴别声音音质的另一个特征即为声波的包络。每一件乐器产生它自己的包络特性,这一包络特征与音色一起决定了一件乐器的的主观音质。声波的包络即是声波波形的强度变化的曲线。它由三部分组成:声建立、持续期和衰减期。每个部分都有三个变量:持续时间、振幅和随时间变化的振幅。

不同的乐器例如单簧管、响弦鼓和铙钹等,它们的包络形状是有明显的区别的。

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    • avatar 肉牛 0

      不错的文章,内容见缝插针.