声波的分析与测量基础知识

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所属分类:声学基础

表征声波的主要参数包括:频率、波长、振幅、相位、声速。其中,频率f:单位Hz(1/秒) ,频率又与周期互为倒数关系;人耳可听频率范围:20~20000Hz;次声波:低于20Hz ;超声波:高于20000Hz 。声波的振幅(与声压相关):是指介质质点振动时离开平衡位置的最大距离。对于人耳来讲:痛阈振幅:1.7×10-3cm;听阈振幅:1.7×10-9cm,振幅差值范围为1000,000倍,跟声压差值范围一致。空气分子直径仅为10-8cm,也就是说人耳能分辨小于空气分子(主要是氮气、氧气小分子)直径的振动,极其灵敏。对于声速,主要取决于传播声波的媒质,例如空气中一般为334m/s,而高密度的液体或固体媒质,其速度更快。

声波的分析与测量基础知识

声波的相位,实际上是就是时相,声波的相位差,即时间差。声压,是指实际压强与大气静压强之差,反映了声波的强弱,记为P,单位1Pa=1N/m2。传播声波的空气本来就有大气压强,约等于101千帕,而人耳能听见的声压,就1kHz而言,可以达到20uPa,意味着极其微弱的声源振动就可以被人耳感受到。而该频率纯音,人耳能耐受的最大声音为20Pa,最大耐受声与最小可听见声之间,声压范围值为1000,000倍。因为声源振动,使周围空气分子受迫振动,空气分子将会在原来静止位置附近往复振动,形成空气的稀疏区与密集区。对于疏波而言,媒质中分子的压力小于静态大气压;密波,媒质中分子的压力大于静态大气压。

关于声压,还需要理解几个概念:瞬时声压,声场中某一瞬时的声压值;峰值声压,一定时间间隔中最大的瞬时声压;有效声压,一定时间间隔中瞬时声压对时间取均方根,记为Pe。而声压在平常计算比较时不方便,也不符合人耳对声压感知的对数特性,所以声压需要平方后取10为底的对数变为声压级。具体方法多次讲过,不再赘述。
而声强是指在单位时间内,声波通过与其前进方向相垂直的单位面积上声能,与声压的平方成正比。取声强与基准声强比值的自然对数乘以10即为声强级。

就物理声学来讲,对于声波的分析,主要集中于频率分析与声压/振幅/声能分析。物理声学里,用到最多的频率分析方面就是傅里叶变化,可以将任何复杂的复合声信号简化为多个纯音信号。这是我们进行声波频谱分析的基础。

任何一个复合声音都可以看做是多个纯音的集合。

傅里叶变换:将信号源发出的信号强度按频率顺序展开,使其成为频率的函数,并考察变化规律,就是傅里叶变换(Fourier Transform) ,也称为频谱分析。根据该理论,任何一个复合声音都可以看做是多个纯音的集合。

关于频谱分析,临床用得比较多的简化方式是倍频程、1/3倍频程分析。频率采用对数坐标后20-20000Hz约为10个倍频程。人耳敏感的1000Hz大约在中间位置;当声音的声压级不变而频率提高一倍时,音调升高八度,听起来音调也提高一倍。人耳听音的频率范围为20Hz到20KHz,在声音信号频谱分析一般不需要对每个频率成分进行具体分析。为了方便起见,人们把20Hz到20kHz的声频范围分为几个段落,每个频带成为一个频程。频程的划分采用恒定带宽比,即保持频带的上、下限之比为一常数。实验证明,当声音的声压级不变而频率提高一倍时,听起来音调也提高一倍。若使每一频带的上限频率比下限频率高一倍,即频率之比为2,这样划分的每一个频程称1倍频程,简称倍频程。如果在一个倍频程的上、下限频率之间再插入两个频率,使 4个频率之间的比值相同(相邻两频率比值=1.26倍)。这样将一个倍频程划分为3个频程,称这种频程为1/3倍频程。可能在理解频率加快后音调升高的现象。我们如果以前放过盒带式录音机,当以快进速度播放时,会发现所听声音不仅速度加快,耳前音调变得更加尖细。倍频程在数值上是指使用频率f与基准频率f0之比等于2的n次方,即f/f0=2n次方,则f称f0的n次倍频程。

对于自然环境,我们很难听到单频率的纯音信号,往往是多种频率,不同强度的复合声音,例如噪音,如何进行声音强度之间的比较呢?对于自然环境,我们很难听到单频率的纯音信号,往往是多种频率,不同强度的复合声音,例如噪音,如何进行声音强度之间的比较呢?声压级与声级的区别:声压级是客观声音的大小。声级是主观评价量,是考虑人耳的效应而加计权网络得到的。为什么要用“计权”网络?根据人耳等响曲线,我们可以看出低频信号的声需要很大的声压才能达到跟人耳敏感的中高频声音一样的响度。

换句话说,人耳对低频音不敏感、但对中高频敏感(1-6kHz),因此可以采用一种方法,来人为地降低噪音信号(或者其他复合声学信号)中低频成分的权重,以更符合人耳的生理特性和感知。

声波的分析与测量基础知识

从上述等响曲线也可以看出,人耳对1kHz-6kHz敏感,对低频-超高频声较差。越灵敏,意味着越易损害,如1kHz的120dB对人耳有疼的感觉,但对20Hz的120dB,听到的声音就不大,所以在日常生活中低频成分的声对人的影响不大,如果不“计权”,所得的dB数,不能真正反映对人的影响。常用的计权方式有三种。A、B、C计权特性分别是40,70,100方等响曲线的反曲线(衰减的低频段A 1000Hz,B 250Hz, C 0),B、C曲线用模拟听觉生理主观特性不明显,故目前已趋于废弃,D用于飞机噪声测量,而对工业和生活噪声领域则主要采用A计权。用了“A计权”就能在一定程度消除声学中常常作用甚小的低频成分的影响,即将低频成分的声音压低。

临床中,我们常使用声级计来进行声级的测量,可以发现表盘或显示屏上会有“A”档位,表明该档位就是A计权。声级计读出来的数值就应该计为dB(A),如读数为40,表明为 40dB(A)。如果不选择计权,并给声场以纯音信号,也可以直接读出该频率纯音的声压级,例如读数为65,计为65 dB SPL。是以1kHz的纯音为定标:例如50 dB SPL就是50方,低频信号需要跟高的声压级才能达到等同于1kHz纯音相同的响度,可以在等响曲线上读出该数字。

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