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声学基础与声学量

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发表于 2006-5-27 09:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
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一、 声学基础<br>
音响技术属于物理学的分支,是研究声波发生、传播、接收以及声信号处理的科学。声学基础是从事音响行业人员必须具有的基本知识,同时也是音乐欣赏者及音响爱好者必备的艺术修养,其中主要包括美学认识、情感投入和艺术构思等。声音是通过机械振动产生的,而又以波动形式传播的,这就是最基本的声学物理基础。声音的产生与传播方法很多,下面就有针对性地介绍与实用技术相关的内容。<br>
1 声音的产生:声音是由声波刺激人耳所引起的感觉。声音产生必须满足两个条件,一是振动物体,二是使声波传播的媒体。振动是研究声学的基础,声学现象实质上就是传声媒体质点所产生机械振动过程的表现,而且声波的发生基本上也来源于物体的振动。任何物体振动都可以发出声音,例如:敲鼓时,鼓槌敲击鼓膜,使鼓膜产生振动而发出“咚咚”的声音。<br>
物体振动时,以一定幅度在平衡位置附近往复运动,反映运动幅度的量,叫做振幅。物体完成一次振动所需要的时间,叫做周期,通常用符号T表示。周期T的倒数是频率F。<br>
谐振运动是最基本的振动,各种复杂振动可以看成是由许多不同振幅、不同频率谐振迭加而成的,叫振动频谱。<br>
许多情况下,物体的线性同声波在其中传播的波长是可以比拟的,叫分布参数系统,即质量在空间有一分布,弹性系数以及阻尼系数也同空间有关,而且空间每一质量中还包含弹性与阻尼,即所谓弹性体。其振动过程中,总是有阻力作用,振动机械能不断的转化为其它形式的能量,如不给予补充,经过一段时间后,振动就要停下来。这种能量不断消耗的振动,叫做阻尼振动。阻尼的作用不仅使振动的机械能逐渐消耗振幅衰减,而且还使振动一周所需时间比无阻尼时增加,且振动的频率降低。阻尼越小,机械损耗越小,振幅衰减也越慢,而振动频率接近于无阻尼自由振动的频率,整个振动也就接近于谐振运动;反之,阻尼越大,机械损耗就越大,振幅衰减也越快,振幅频率也就越低。<br>
2 声波的传播:在弹性媒质中传播的机械波,由于其弹性和惯性的作用,使得受扰动的质点在平衡位置来回振动;同样的原因,被该点推动了的质点以至更远的质点也依次滞后一些时间在它们平衡位置往返振动,这种媒质质点机械振动的传播过程,叫做声波。声波的本质是机械振动或气流扰动引起周围弹性媒体发生波动的现象,声波又称弹性波。物体的振动是产生声波的原因。<br>
有声波传播时,介质各部分能产生压缩和膨胀的周期性变化。压缩时压强增加,膨胀时压强减小。可用瞬时声压、峰值声压和有效声压等具体的描述变化部分的压强。声波在介质中的压强超过静压强。一般使用时,有效声压简称声压。瞬时声压是某点的瞬时总压强减去静压强。对于周期波,在某一周期内的极大声压是这一周期中瞬时声压的极大绝对值;如所取时间等于整个周期,峰值声压是声压的幅值,等于有效声压的 倍。<br>
声波传播时,介质中各质点发生振动,具有动能,同时产生变形,因而具有弹性位能,声波传播时总是伴随着能量的传播。声音的强弱可以用声压表示,也可以用声强来衡量。声强就是单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声能量。<br>
声波在介质中传播时,能量不断地被介质吸收而转化为其它形式平面,称为声波的吸收。声波从一种介质传播到另一种介质,在分界面上传播的方向要发生变化,并产生反射和折射现象。<br>
二、 声学量<br>
声学讨论与实践的研讨,牵涉很多声学物理量,这里就经常应用到的声学量进行介绍。<br>
1 频率与倍频程:声波的频率指的是在单位时间内振动的次数。如果变量是时间,则单位时间内的周期数就称为周期量的频率。两个声音的频率之比或音调之比用2为底的对数表示称为倍频程。可闻声的频率从20Hz ~ 20KHz,高低相差1000倍。为了方便起见,把宽广的声频变化范围划分为若干较小的段落,叫做频带或频段。<br>
2 声强: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。声场中某点上一个与指定方向垂直的单位面积上,在单位时间内通过的平均声能称为声波的声强。声强越大声音就越响,但两者之间并不成正比关系,一般来说,声强每增加10倍,响度才增加1倍。因此,用声强来说明声音的强度与人的主观感觉有很大差异。为了使声音的强弱量度能与主观感觉相符,人们规定了另一个物理量,叫做声级,单位为dB。听阈所对应的声级被视为0dB。但是需要注意的是,0dB并不是没有声音,而是可闻声的起点。按照这种规定,一般录音室内背景杂音的声级为30dB,这种情况就显得很安静;轻声细语的声级为50dB;交响乐高潮时约90dB;而震耳欲聋的声级则为120dB。<br>
3 声压级与声强级:声压级指的是有效声压P和基准Pr的比值的常用对数乘以20,单位为dB,同时基准声压必须详细说明;声强级指的是声强与基准声强之比值,并用对数乘以10,单位为dB,基准声强必须说明。<br>
4 频谱:声源发出的声音并不是单一频率,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。一个声源发出的声音,对其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,把频率与声强的对应关系用图形表示出来,就叫做频谱图,简称频谱。<br>
5 分贝(dB):dB电声学中重要度量单位,其定义为两个功率的比值取常用对数后,再乘以10。<br>
dB是deci Bel的缩写,用以表达电压、电流、功率、声压级的相对值、电平、电平比以及设备的放大倍数等。由于科学家门发现当声音成对数关系10倍、100倍、1000倍地增长时,人耳所能感觉到的只是1倍、2倍、3倍,这便说明人耳所感到声音响度并不与输入功率成正比关系。<br>
增益 用增益标志音响电器功率放大器特征并不能反映听觉上声音增强的效果,为了适应人类生理特点,将信号功率放大10倍作为1个单位的增益为计量标准;放大100倍作为2个单位增益,放大1000倍作为3个单位增益,单位为贝尔(Bel),实际应用中贝尔的量值太大,而用它的1/10作基本单位,称之为分贝,用符号dB表示。信号传递过程中呈递增趋势,用正分贝表示;信号呈减弱趋势,用负分贝表示。<br>
电平 在音响系统通常是以在600Ω负载上产生1mW的功率定义为基准功率,也称为零电平或绝对电平,用以表示信号的强弱,单位是分贝(dB),任意测量点所测取的与基准电平比较的电平值称为相对电平,根据两种电平大小的相对关系,dB值也有正、负之分。<br>
信噪比 S/N 在规定输入电压下,输出信号电压与输入电压切断时输出残留噪音电压比,称为信号噪声比,简称信噪比,以分贝(dB)表示。信噪比dB数值越大,说明噪声对信号的影响就越小,该放大器的质量就越高。<br>
6 音质:声音的质量含有多种成分,下面介绍的音调、音色、音量和音品是音响效果的四要素。其衡量主要是靠人的耳朵。<br>
音调 表示声音的高低,主要与声源每秒钟振动次数即频率F有关。其实就是频率,音调低,表示振动频率低;音调高,表示振动频率高。频率每提高一倍,音调将提升八度,即每一倍频程相当于八度音阶。<br>
音色 不同的人和不同的乐器都会发出具有自身特点的声音,这就称为音色。它是不同乐器或不同材料发音的标志,也是声音波形的忠实反映,它与声源振动的频谱有关。如果说,音调是单一频率的象征,音色则是由多种频率所组成的复合频率的表现。<br>
音量 音量所指的是声音的强度或响度,标志声音的强弱,它主要与声源振动幅度的大小有关,太弱听不见,太强会使人受不了。从电器性能考虑,声音开得太大还会引起失真。<br>
音品 任何声音都有一个成长和衰变的过程,这个过程决定音色的音品。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,也有把两者合称为音品,作为表征特色的一个要素。<br>
7 响度 响度表示人耳对音量大小、声音强弱的主观感受。它主要取决于声波振幅的大小,同时也和声音的频率有关,响度的单位为宋(sone)。当声强超过听阈后,随着声强的逐渐增加,主观上就会产生由弱到强不同程度的响度感觉。声强和响度有制约性的心物关系。声强是声音的客观物理量,而响度是听觉的主观心理量。<br>
8 听觉掩蔽 一个声音的阀值因另一声音的出现而提高的现象称为听觉掩蔽。低频率的声音能有效地掩蔽高频声,但高频声对低频的掩蔽作用不大,掩蔽量随掩蔽声级增加而提高。<br>
9 双耳效应 双耳听觉使响度提高,其作用首先表现在接受纯音信号的阀值比单耳阀值约低3dB,这可以理解为双耳总合作用的结果。由于双耳相距约23cm,所以声音从近耳传到远耳约需660us,这个最大时差相当于频率1.5kHz,这就是双耳能感觉声音定位的原理,实际上只是双耳间差不同的信号,包括时间差、频率差、相位差等。<br>
10 失真 失真是输出信号对于输入信号波形的畸变,是音响电器中重要参数之一,常见的失真有谐波失真、互调失真和感应失真。这里只讨论谐波失真,互调失真和感应失真一般出现在录音棚或设备电路设计上。<br>
谐波失真是最常见的失真,当信号的频率及电平较高时,常伴有“刺刺”的声音出现,而实际声源并无此成分。这就是由于电路的非线性产生了声源基频之外的谐波,其谐波又被电路削波所致。偶次谐波的出现虽然会影响基频的清晰度,但却会为基频添加“温暖”和“明亮”的感觉;而奇次谐波给人的感觉是“浑浊”,干扰并影响基频的音色。由于调音台及录音机等设备由许多运算放大器构成(运算放大器产生基次谐波的失真),所以操作不当,便会出现基次谐波削波失真。要避免谐波失真,应使电路中各级放大器均工作在线性区域,而且信号每级都不应过载,所有增益控制应十分谨慎地操作。<br>

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发表于 2006-7-15 11:02 | 显示全部楼层

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发表于 2006-6-14 09:59 | 显示全部楼层

re:写得不错,很有见解

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发表于 2006-6-29 00:03 | 显示全部楼层

re:谢谢 学到了~

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 楼主| 发表于 2008-3-5 17:24 | 显示全部楼层
呵呵,被浏览了12792次,回复的只有3个,不知道是什么原因.
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