音响工程师必备知识之声学基础.docx

音响工程师必备知识之声学基础（一）声学基础声音在人类生活中具有重要意义，人们就是靠声音传递语言、交流思想的声音来源于 物体的振动例如人的发声是由声带动引起的;扬声器发声则产生于扬声器膜片的振动;锣、 鼓是靠锣面、鼓面膜的振动发声的;弦乐器是靠弦的振动发声的;笛、箫等则依靠空气柱的振 动发声……正在发出声音的振动物体称为声源，传播声音的必要条件没有物体的振动有传 声介质（如在真空中），同样也没有声音声音不仅能在气体中传播，在固体和液体中也能够 传播当声源在空气中振动中，使邻近的空气随之产生振动并以波动的方式向四周传播，传 至人耳将引起耳膜振动，最后通过听觉神经产生声音的感觉对于专业音响工作者来说，掌握 一些声学基础和生理声学方面的知识是至关重要的声音信号的特性语音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）成分组成要“原 汁原味”地重放这些随即音频信号，扩声音响系统必须具备符合语言和音乐的平均特性其 中最重要的三个特性是平均频谱（频率响应特性）、平均声压级和声音的动态范围1、人声信号人声信号是一种典型的随机过程，它于人的生理特点、情绪与语言内容等因素有关1） 、语言基音的频率范130-350HZ包括全部谐波（泛音）频率范围为130-4000HZ2） 、演唱歌声的频率范围比较宽，可分为男低音、男中音、男高音、女高音等5个声 部。

基音的频率范80-1100HZ，包括全部谐波（泛音）频率范围为80-8000HZ5个声部的范 围是：80-294HZ;110-392HZ;147-523HZ;196-698HZ和 262-1047HZ3） 、声压级正常谈话时语言的声功率为1微瓦，大声讲话时可增加到1毫瓦正常讲 话时与讲话人距1米时的平均声压级为65-69dB4）、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20-40dB，戏剧 60-80dB2、音乐信号音乐信号的频谱范围很宽它与乐器的类型有关在乐器中管风琴具有最宽的基音范围， 从16-9000HZ，其次是钢琴，它的基音范围为 27.5-4136HZ民族乐器的基音范围为100-2000HZ所有的乐器都包含有丰富的高次谐波（泛音）因此音乐的频谱范围可扩展到 15000-20000HZ高质量的音响系统（音乐重放）的频率响应（频率特性）范围不小于40-16000HZ信号动态 范围不小于50-55 dB描述一个音乐信号的特性还有另外一些量，例如颤音特性、持续时间以及声音的建立和 衰减时间等，这些量反映了音乐的瞬态特性人声和音乐信号还有一个重要特性，就是最大声压级（持续时间较短的瞬时信号）与长时 间内平均声压级之差称为声音信号的峰值因子，它是声音信号动态范围的组成之一，不同节 目信号的峰值因子是不同的，为保证声音重放时不失真，系统的动态范围设计必须满足节目 要求。

测量表明，语言信号的能量集中在130-4000HZ的中低音和中音范围内音乐信号的能 量分布范围很宽，从30-16000HZ随着频率的升高而减小，低音（包括80HZ以下的超低音） 能量最大;中低音的强度稍低，高音强度则迅速下降因此扬声器箱中的低音、中音和高音 扬声器单元的功率配置必须与之相适应当分频频率为570HZ时，低音和中高音的功率比 为1.42;当分频频率为900HZ时，低音和中高音的功率比为1.78;当分频频率为1430HZ时， 低音和中高音的功率比为2.543、复杂信号波形的频谱无论人声、乐器声还是自然界中各种声音都不是单音（或纯音），而是复合音，其波形都 不是正弦波，但它们都可以分解成若干强度的不同频率的谐波声音的音色主要由这些谐波 的数量、强度、分布和它们之间的相位关系决定自然界中的随机噪声是非周期性重复波形，包含在系统给定频响特性范围内的全部频率 分量白噪声的频谱图，因为它的频谱结构像可见光的频谱，所以叫白噪声其特点是在频响 范围内，每个频率的能量相等，从我们耳朵的频率响应听起来它是非常明亮的“咝”声（每 高一个八度，频率就升高一倍因此高频率区的能量也显著增强）用来测试音箱的谐振和 灵敏度。

粉红噪声每个八度带有相同能量的随机噪声我们的耳朵将以“平直”的频率响应接受 这些声音（因为粉红噪声建立于八度的基础而不是个别的频率，因此频率变高的时候能量并 不增加）因为这一特性和实时分析仪（RTA关注一个八度或1/3八度的音域，粉红噪声对于 测量音频设备的频率响应和决定房间的扩音应用非常有用噪声的颜色是一种形象的表达光谱中低频是红色，高频是紫色，如果全频带的都有就 是白色所以噪声也这样形象化，全频带强度一样就叫白噪声，粉红噪声则是低频占的比例 较多，若光谱程这种分布就会呈现分红色其他颜色的噪声你可以以次类推自然界的噪声 大多是粉红噪声音响工程师必备知识之声学基础（二）声波弹性介质中传播的机械波，即介质质点的位移、介质内部的压强或密度的扰动在介质中 逐点传播的过程声音是声波作用于人耳引起的感觉声波按频率可分为次声波、可听声波 和超声波3种次声波的频率范围为10-4〜20赫，可听声波的频率范围为20〜2X104赫， 超声波的频率范围为2X104〜1012赫以上，频率在1012赫以上的声波称为特超声波只有 可听声波才能引起人耳的听觉声源能发射声波的振动体的总称，通常是振动的固体（如板、杆、膜、弦笠）或振动的空气柱 （如哨、笛等），前者称机械声源，后者称空气动力声源。

自然界存在各种各样的声源，人们 还制造了用于不同目的的人工声源，如各种乐器、扬声器、电致伸缩和磁致伸缩换能器等电 声转换器件除上述宏观声源外，在固体内部发生的微小动力变化也能发声，例如范性形变 引起的整体沉陷、位错破裂、微小断口的扩展等，这些发声一般都是脉冲式发声声源的主要特性包括频率特性、发射声功率和声发射的指向性等一般声源能发射各种 频率的声波，对声波进行频谱分析和测量是研究声源特性的重要方面单位时间内从声源发 射出来的平均能量称为声源的声功率一般的声源所发射的声波在不同方向上有不同的强 度，研究和测量声发射的指向性对声波的利用无疑极为重要声速声扰动或振动在介质中的传播速度称为声速，声速一般由介质的性质和温度等因素确 定对线性声波（波动过程中自变量与应变量成线性关系，例如质点所受的恢复力与位移成 正比），声速与振幅无关，对非线性波（自变量与应变量的关系中包括高于一次的项，声速不 仅由介质性质确定，而且还与振幅有关大振幅的声波常表现出非线性1大气压、20摄氏 度时空气中声速的计算值为340米/秒，这与实测值相符流体（气体或液体）中的声波是纵波， 而固体中可同时存在纵波和横波（见波），两者有不同的传播速度。

对各向异性的固体，横振 动方向不同的波一般有不同的传播速度声压在流体介质中传播的声波属压强扰动的传播，当有声波在介质中传播时，各部分产生压 缩和膨胀的周期性形变，并导致压强的周期性变化，压缩时压强增大，膨胀时压强减小瞬 时压强与静压强的差值称为瞬时声压，压强周期性变化的峰值称峰值声压，瞬时声压对时间 的方均根值称为有效声压，通常所说的声压均指有效声压声压是声学测量中的一个基本量， 4单位为帕实际中常用声压级Lp来描述声音的强弱，声压级的定义为：式中P为有效声压，P0为基准声压，对空气中的声波，P0=2X10-5帕上式中的对数 是以10为底的常用对数声压级的单位为分贝声能声波在介质中传播时，引起介质质点的运动和介质的形变，其动能和势能的总和称声波 的能量单位体积中的声能称声能密度声波传播时伴随着声能的传递，单位时间内通过某 一截面的声能称声能通量单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的平均声能（即 平均能流密度）称为声强，声强单位为瓦/米2声强通常用声强级L量度，声强级的定义为：式中I为声强;I0为基准声强，通常取10=10-12瓦/米2，声强级单位亦称分贝声吸收 声波在介质中传播时部分声能转换成热能，从而导致声波减弱的现象。

有多种原因造成声吸 收：①流体介质的粘滞性，声波引起的质点振动因受粘滞力作用而衰减，称为声波的粘滞吸 收②介质的导热性，当介质中存在声波时，介质发生压缩和膨胀的周期性变化，压缩区使 温度升高，膨胀区温度下降，于是在压缩区和膨胀区间产生温度梯度，引起不可逆的热传导， 导致声能的耗散，称为声波传导吸收③介质内部存在的弛豫过程介质中无声波时，介质 分子的热运动状态、可逆化学反应和介质微观结构等都处于平衡状态;当存在声波时，平衡 状态遭破坏，建立新的平衡需要时间，称为弛豫过程，弛豫过程伴随着熵的增加，这意味着 有规声能向无规热能的转化，称为声波弛豫吸收声吸收不仅取决于介质本身的性质，而且还与频率有关研究空气、海水、地壳和各种 建筑材料的声吸收情况有重要实际意义，是建筑设计、声响技术、地震波应用等方面必须考 虑的因素此外，通过介质对声波的宏观吸收规律可探索与分子运动有关的介质特性，这是 分子声学所要研究的内容音响工程师必备知识之声学基础（三）声波的反射、吸收和透射声波在传播过程中，除传入人耳引起声音大小、音调高低的感觉外，遇到障碍物如孔洞等还将产生声波的反射、绕射、吸收、透射以及在室内由于多次反射所引起的混响等现象。

这些现象在建筑声学设计中有着重要的作用当声波在传播过程中遇到尺度比波长大得多的障板(界面或障碍物)时，就会被反射，满 足反射定律反射定律的基本内容是：(1) 入射声线、反射声线和反射面的法线在同一平面内2) 入射声线和反射声线分别位于法线的两侧3) 入射角等于反射角声波的干涉在观众厅内通常会出现声干现象例如，从声源发出的直射声波和来自壁面或平顶的反 射声波在空间各点要相互干涉如果是单频声(即纯音)，这种干涉现象必然引起空间各点声 场之间的很大差异，有些地方声波会加强，有些地方声波会减弱，甚至抵消而形成“死点” 使干涉效应不太明显在一般情况下，观众厅的尺度(长、宽、亮)比低频小波长大十几倍，形状也不“破坏” 引起干涉的条件因此，在大型观众厅内，干涉现象就不那么严重只有在小室内，如录音、 播音、监听和琴室等小房间需特别注意这一问题声波入射到建筑构件(如墙、板等)时，声能一般分为三个部分1) 一部分能量被反射，即前面所述的声波的反射例如，大理石、玻璃等硬而光滑的 材料能够把绝大部分的声波反射回去2) 一部分能量透过构件，即声波遇到障碍物时，其疏密相间的压力将推动障碍物发生 相应的振动其振动又引起另一侧的传声介质随之振动。

声音透过障碍物的现象称为声波的 6透射墙、楼板的质量越轻，声波就越容易推动客观存在们发生振动动墙、楼板的透射本 领越好，则说明其隔声能力越差回声现象回声是反射声中的一个特殊现象具体来说，出现回声的第一个条件是直达声与反射声 之间的声程差大于17m，相应的时差超过50ms;另一个条件是该反射声的声压级足够高对 着远处的山崖或高大的建筑物喊一声，就可以听到清晰的回声北京的天坛，不仅以它宏伟 庄严的建筑艺术而闻名世界，令人神往的还有那回音壁和三音石回音壁是明代修建的，已 有五百年历史，它是一个圆形的墙壁，高约6m，直径为65m，砖墙很坚硬光滑，是很好的 声音反射体一个人对着回音壁说话，他发出的声波沿着壁面多次反射，在另一处可听到他 的声音站在位于围墙圆心和三音石上拍一下手，就能够听到连续两三次回声这充分显示 了我国劳动人民的智慧厅堂设计中出现回声将成为严重的音质缺陷它引起对听闻的干扰为了要消除回声， 就应使到达听者的直达声与反射声之间的时差小于50ms，相应于直达声与反射声之间的声 程差距小于17m（声速按340m/s计算），如大于17m，就有可能形成回声应该指出，。