声学基础—声音的特性参数

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所属分类:声学基础

研究声音(声学基础)的目的是为了研究音响技术,研究音响技术是为了满足人们的听觉要求。而听觉不但取决于声音的特性,而且也与人的心理因素有关。由于每个人诸方面的差异,对声音这一客观现象的判断和感觉也有所不同,如对听觉的频率范围、对不同频率的感受程度以及对响度的反应等均有差异。所以,对声音进行定性分析是复杂的,而对声音进行精确的定量分析更是相当困难的。因此,我们有必要讨论与音响技术有关的声学参量。

1.频率与倍频程

频率的概念在前面已做了论述,这里不再赘述。频率与声音的对应关系是:频率低,相应的音调就低,声音就越低沉;频率高,相应的音调就高,声音就越尖锐。人耳可以听到的声音,即可闻声的频率范围通常是20Hz~20kHz,其频率称为声频或音频。频率低于20Hz的叫次声,高于20kHz的叫超声,次声和超声都是人耳听不到的,但有的动物却可以听到,这两种声频通常对人体有害。

倍频程是用来比较两个声频大小的,两个不同频率的声音作比较时,起决定意义的是两个频率的比值,而不是它们的差值。

倍频程定义为两个声音的频率或音调之比的对数(以2为底),其公式为
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式中,f1为基准频率;f2为欲求其倍频程数的信号频率;n为倍频程数。n可正可负,也可以是分数或整数。例如,n=1、1/3,则分别称为“倍频程”和1/3倍频程”。在音乐中,5·与5之间或者5与5·之间,频率正好相差一倍,我们称这两个频率间相差1个倍频程即“八度音程”;而5·与5·之间频率相差两个倍频程。

两个频率相差1个倍频程,意味着其频率之比为21(即两倍的关系);两个频率相差2个倍频程,意味着其频率之比为22(即四倍的关系)……依次类推,相差n个倍频程,意味着两个频率之比为2n。按倍频程数均匀划分频率区间,相当于对频率按对数关系加以标度。

2. 声阻抗与特性阻抗

媒质在波振面某个面积上的声阻抗是这个面积上的声压与通过这个面积的体积速度的复数比值。其单位是声欧,它的倒数称为声导纳。声阻抗的实部称为声阻,虚部称为声抗。

媒质中某点的声压和质点速度的复数比值称为声阻抗率,其单位是Pa·s/m,它的实部是声阻率,虚部是声抗率。
声场中声阻抗Za定义为表面上的平均有效声压p与经过有效体积速度U之比,即
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声阻抗的单位是N·s/m3,即MKS制声欧姆。由于U的含义不明确,人们通常用质点速度v来代替U,所以定义声场中某位置的声压与该位置的质点速度之比为该位置的声阻抗率Zs,即
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平面自由行波在媒质中某点的有效声压与通过该点的有效质点速度的比值称为特性阻抗。

媒质的特性阻抗等于媒质密度与声速的乘积。

平面声波的声阻抗率,在数值上恰好等于介质的特性阻抗,即平面波阻抗处处与介质的特性阻抗相匹配。

3.声压与声压级

声波的强度可用声压、声压级来定量描述。

大气静止时存在着一个压力,称为大气压强,简称气压。当有声波存在时,局部空间产生压缩或膨胀,在压缩的地方压力增加,在膨胀的地方压力减小。于是就在原来的静态气压上附加了一个压力的起伏变化。这个由声波引起的交变压强称为声压。

在理想介质中,声阻抗也具有损耗的意思,不过它代表的不是把电量转化成热量,而是把能量从一处向另一处的转移,即传播损耗。

平面波在传播过程中的声抗率可用下式计算
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式中c为声速,ρ0为介质密度。

声压的大小表示声波的强弱。声场中某一瞬时的声压值,称为瞬时声压。在一定时间内最大的瞬时声压值称为峰值声压,声压随时间的变化是按谐振规律变化的。峰值声压也就是声压的幅值。在一定时间间隔内,瞬时声压对时间取均方根值,称为有效声压。声压的国际单位是Pa,1Pa=1N/m2,1个大气压为105Pa。声压与大气压相比是极其微弱的,有时也用μbar作单位,1μbar=0.1Pa=0.1N/m2。正常人能听到的最弱声音约为2×10-5 Pa,称其为基准声压,用符号Pr表示。

声振动的能量范围很大,从最弱的参考声压到人耳感到疼痛的声压之间相差100万倍。为了把大范围声压压缩到容易处理的声压范围,就用“级”的概念来衡量声音的相对强度。实际上,人耳对声音主观感受的响度并不正比于声压的绝对值,而大体上正比于声压的对数值。声压级指的是有效声压和基准声压比值的常用对数的20倍,单位为dB,用Lp表示
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4.声强与声强级

各类声音除了音调的不同外,还有响度的差别。对于一定频率的声音,其响度主要由声强的强弱来决定。
在自由平面波或球面波的情况下,设有效声压为p,传播速度为c,介质密度为ρ0,则在传播方向上的声强为
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声强的单位是W/cm2,可闻声音的最小声强为10-6W/cm2,称为听阈声强;震得耳朵发痛的声音,其声强约为10-4W/cm2,称为痛阈声强。

声强级指的是声强与基准声强之比值,取常用对数乘以10,单位为dB,用LI表示
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式中,Ir是基准声强,常采用的Ir的值为10-12 W/cm2。在自由行波中,声强与声压关系固定,可以由声压求声强级。但在一般情况下,两者的关系很复杂,无法由声压求声强级。

5.声功率与声功率级

声源辐射声波时对外作功。声功率是指声源在单位时间内垂直通过指定面积的声能量。声功率指在全部可听频率范围所辐射的功率,或指在某个有限频率范围所辐射的功率(通常称为频带声功率)。声功率可表示为
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式中:W为声功率(W);U为流体的体积速度(m3/s);RA为声源的辐射声阻(Pa·s/m3)。

声功率级是待测声功率与基准声功率之比,取常用对数乘10,单位dB,用LW表示
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式中,W是待测声功率;W0是基准声功率。W0=10-12 W。

6.频谱与谱级

声源发出的声音并不是单一频率的,而是同时含有许多复杂的频率。频谱是把时间函数的分量按幅值或相位表示为频率函数的分布图形。根据声音的不同,它的声谱可能是线谱、连续谱或二者之和,即混合谱。实际声音是由许多不同频率、不同强度纯音组合而成的。

对一个声源发出的声音的频率成分和强度的分析,叫做频谱分析。若用频率表示横坐标,声压级表示纵坐标,把频率与强度的对应关系用图形表示出来,就叫做频谱图,简称频谱。一曲悦耳动听的音乐与噪声的频谱图是完全不同的。

谱级也称密度级,是指信号在某一频率的谱密度与基准谱密度之比的常用对数乘以10。单位为dB,用Lpr表示
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上式是声压谱级的表示式,用类似方法也可以表示其它参量的谱级。式中p为通过滤波系统的有效声压,pr为基准值;Δf为滤波器的有效带宽,Δf0为基准带宽。

7.音质

声音的质量含有多种成分,其中音调、音色、音量及音品是决定音响效果的四大要素。可以说音调由声波的频谱所决定,音量由声波的振幅所决定,音色由声波的频谱所决定,而音品则由声波的波形包络所决定。所有这些都是声音信号的物理量,是可以进行客观技术测量的。

1)音调(Pitch)

音调表示声音频率的高低,主要与声源每秒钟振动的次数有关,是人耳对声调高低的主观评价尺度。它的客观评价尺度是声波的频率。音调低,表示振动频率低,声音显得深沉;音调高,表示振动频率高,声音就尖刺。例如C调的音符6,相当于440Hz,而音符6 · ,相当于880Hz,音符6 ∶ 相当于1760Hz。

2) 音色(Timbre)

音色是指声音的色彩和特点。不同的人和不同的乐器都会发出各具特色的声音,可以说它与声源振动的频谱有关。如果说,音调是单一频率的象征,那么音色则是由多种频率所组成的复合频率的表现。图1―1所示为钢琴弹奏某一音阶时的声谱。由图可见,这个声音的基频是440Hz,除基频外,至少包含有其它15种不同频率的振动。

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钢琴的频谱

声谱中的基频成分形成了声音的基音,音调由基频的高低所决定;声谱中的其它成分是泛音,泛音和基音成倍数关系,音色是由泛音的结构所确定的。

3) 音量(Intensity)

音量是指声音的强度或响度,标志声音的强弱程度。它主要与声源振动幅度的大小有关,太弱了听不见,太强了会使人受不了。人耳所能听到的声强约为0~12dB之间,寂静的室内噪声约为30dB,在白天室内噪声可达45dB。

4)音品

乐音即音乐中使用的声音,其谐波组成和波形的包络,包括乐音起始和结束的瞬态,确定了乐音的特征,称为音品,也有人把音品与音色统称为音色。任何声音都有一个成长和衰变的过程,这个过程决定声音的音品。声音的成长和衰变过程不同,听音者的感觉也不相同。

实际上,音品不同时其声谱也有差异,主要表现在谱线的强弱分布不同,所以可以认为音品和音色都是由声谱结构确定的,也有的把两者合称为音品,作为表征声音特色的一个要素。

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