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[科普]声学基本知识
发布日期:2019-7-8   点击次数:

1/声音的产生


声音是由物体振动引起空气的波动,传到耳膜,经过听觉神经听到声音。

声源:发生声音的振动源叫作声源。

声波:由声源引起媒质的振动形成声波。

声场:声波传播的空间叫作声场。

声音在空气中是以一疏一密的纵波传播的。为什么叫“纵波”,因为它进行方向和传播方向一致。


2/声速与波长


声波在单位时间内传播的距离称为声速,常用符号“C”表示,单位是米/秒(M/S)。一般来说声速只和传播媒质及其状态有关,在标准大气压下和温度为20°C 时,空气中的声速为344 米/秒;15°C 时为340 米/秒,工程计算一般取344 米/秒(因为温度和湿度对声速影响比较大,温度每增加1°C,声速增加2 英尺)。如果声波在水中传播,声速约为1485 米/秒,在海水中1500 米/秒,在木材中为3320 米/秒,在钢材中则为5000 米/秒。


声速在室内声学设计和扩声技术中应用很多,一般以毫秒计算,即千分之一秒,1S/1000,简写MS。


声波振动一周所传播的距离为波长,常用符号“λ”表示,单位是米(M)。声波的波长与声速和频率的关早期反射声都控制在50MS 以内,在常温下50MS 所传播的距离为340M 0.05=17M,要记牢这个数值,它是一个界限,50MS 以内的早期反射声,有助于加强直达声。超过50MS 的反射声会影响清晰度。系如下:


λ=C/f f 为频率


由此可见,相同条件下,频率越高,波长越短。例如,常温空气中,频率为20HZ 声波的波长为17.20米,频率为5 千赫的声波波长为0.0688 米。


3/反射、折射和透射


声音在传播过程中,遇到墙壁等障碍物时,一部分声波在分界面处将改变传播方向返回到原来的媒质中去,而另一部分声波则以新的传播方向进入到新的媒质中去,并在新的媒质中继续向前传播。这种就是声波的反射和折射现象。声波的反射和折射同样满足反射和折射定理,声波在室内的的多次反射是形成混响的主要原因。


声透射则是指声波在多层媒质中传播经历了分界面的多次折射后,透过中间各层到达最后一种媒质的现象。


4/声波的衍射和散射


声波遇到墙壁或其它障碍物时还会在边角上沿着物体的边缘而“弯曲”传播,这种现象被称为声绕射(或声衍射)。研究表明,衍射的程度取决于声波的波长与障碍物线度的相对大小,即波长对障碍物线度的比值越大,衍射愈强,反之亦然。如果障碍物的线度比波长大许多,虽然还有衍射现象,但是在障碍物的边缘附近将形成一个明显的没有声波的区域(声影区)。通常认为物体线度小于λ~5λ时,入射声波基本上会绕过物体;相当于5λ~10λ时还有一些绕射;接近于30λ时,几乎完全被遮挡。


图1、1、1 所示的几个例子可以帮我们了解声绕射出现的一些情况。


声波的绕射现象

图 1、1、1 声波的绕射现象


图 1、1、1 中,障碍物好比是卡拉OK 厅中的一根柱子,会在它后面的客人的视线完全被柱子所遮挡,但仍然可以听到来自舞台上的大部分声音。这是因为波长随频率高低而有很大的差异,只有那些频率较高,波长比柱敢直径小很多的声波,才会在柱子后面形成声影区。例如,坐标在直径1 米的圆柱后面,对于1700赫(λ=0.2 米)以上的高频声波有明显的遮挡作用。至于大部分频率较低,波长与柱子直径接近或大得多的声波,由于声绕射现象的存在,柱子几乎不起遮挡作用。


另一方面,利用柱面反射声音,只有声波长小于或者接近柱子直径的声波,才会被有效地反射。例如,要使200 赫以上频率的声波有效地反射,柱面的尺度至少要1.7 米左右。当然,柱面对声音的反射程度和它的表面有关,但这里只谈尺度关系。


图 1、1、1 中,障碍物好比一座高大的围墙,对于波长比围墙尺寸小得多的声音,能够产生明显的声影区。当然墙边上还会出现一些绕射现象,但只限于局部范围。


和上面情况成对照的是,当声波通过一个洞孔时往往会产生明显的衍射现象,洞口好象是一个新的点声源,如图1、1、1 所示,这是由于声波波长比洞孔尺寸大得多的缘故。便是光的波长则要比洞孔尺寸小得多,所以光通过洞孔时是一束光线。当然如果声波的频率很高,在通过洞孔时也会出现类似于光束的声束,它带有很强的方向性,如图1、1、1 所示。


声波在传播路径上遇到线度比其波长甚的障碍物时就会产生散射。在有障碍物的声场中,散射的强弱与障碍物的线度对波长的比值有关。障碍物越大,或波长越短,则散射越强。散射与衍射在本质上是一回事,衍射是指一束声波会绕到物体背面的现象,而散射是指波束方向会在物体表面散乱。散射对于保证声场的均匀有重要的作用。


5/声波干涉


两个频率相同、振动方向相同且步调一致的声源发出的声波相互迭加时就会出现干涉现象。如果它们的相位相同,两声波迭加后其声压加强,反之,如果它们的相位相反,两声波迭加后便会相互减弱,甚至完全抵消。由于声波的干涉作用,常使空间的声场出现固定的分布,形成波腹和波节,即出现我们通常所说的驻波。


造成声波干涉的条件是经常可以遇到的,我们不妨以两只扬声器播放同频率声音的情况为例来说明:


(1) 当两只扬声器在同相位状态下振动发声时,由于等距关系,声波到达两扬声器之间中轴线上的各点时总是处在同相位状态,于是来自两只扬声器的声波在该处相互加强。


(2) 当两只扬声器在反相位状态下振动发声时,情况正好相反,声波到达两扬声器之间中轴线上的各点时总是处在反相位状态,于是来自两只扬声器的声波在该处相互抵消,导致两只扬声器还不如一只扬声器响的奇怪现象。


这就告诉我们,连接音箱和功放时一定要保持它们正负极性的一致,否则就会出现上面的第二种情况。


当然,对于立体声系统而言这样的结果往往还会导致声像定位不准,即声源“飘忽”的感觉。


在厅堂内由于墙壁反射也会出现声波的干涉现象,例如,从声源发出的直射波和来自墙壁或平顶的反射波在空间各点要相互干涉。如果它们是绩音信号,这种干涉现象必然会引起空间各点声场的很大差异,有些地方声波会加强,有些地方声波会减弱,甚至完全抵消而成“死点”。好在语言和音乐是由许多频率组成的复合声,可以有“此起彼伏”,“填平补齐”的效果,使干涉效应不太明显。但是,由于不同频率信号所产生的干涉效果不同,即某些频率的信号是相互加强的,而另一些频率的信号是相互减弱的,所以常常导致房间传输特性的不均匀。


大中型卡拉 OK 尺寸一般比低频声的波长还要大许多,形状也往往不规则,而且厅内又还有许多门窗等形状不规则的物体,这些都会“打乱”和“破坏”引起干涉的条件,因而干涉现象也步不那么严重了。


6/语言和音乐的特性


语言和音乐都是由频率不同、强度不等的许多声音分量组成的,它们在发声过程中不断地变化着。歌声和音乐都包含了许多分音(谐波),分音强度的相对关系确定了音色。而乐音的音调则是由这种复音中频率最低的基音所确定的。此外,描述一个乐音还要有另外一些量,例如颤音、持续时间以及音的建立过程和衰变,它们反映了乐音的瞬态特性。


语言的频率范围比较窄,其基音频率在130~350 赫范围内,但其分音以及一些非周性谐分量的频率可达8千赫。歌声的基频范围较宽,从80 赫到11 千赫。在声音中分成五个声部,即男低音、男中音、男高音、女低音和女高音;它们的基频范围分别为82~294 赫(E2 ~ D4)、110~392 赫(A2 ~ G4)、147~523 赫(D3~ C5)、196~698 赫(G3 ~ F5)和262~1047 赫(C4 ~ C6)。在乐器中管风琴具有最宽的基音范围,约从16赫延伸到9 千赫。其次是钢琴,它的基音范围为27。5~4136 赫。有些乐器,特别是打击乐器能产生更高频率的声音,其余大部分乐器则在16~4 千赫范围内,但是在低频端下限实际为30 赫,更低的器乐声是很少遇到的。民族乐器的基音范围大约在100~2 千赫之间。因为所有的乐器都要产生高次谐波,所以音乐中有用的频率范围大约可以扩展到15 千~20 千赫。此外还应注意,对于音乐而言几乎所有的频率范围都同样重要,重放音乐时不能抑制或忽略某些频率范围。对于音乐重放,一般认为与音质有关的频率范围是50~10千赫,而重要的是100~5 千赫。


由于语言和音乐的大小都是随时变化的,为了描述语言和音乐的瞬时变化范围,我们引入了动态范围这一概念。所谓动态范围就是指声源发声的最强值与最弱值之间的幅度差。它是声源的重要特色之一。

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