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1声学基础概念ppt

作者:巴登赌场时间:2021-01-03 04:41

  音频技术是指声音信号的拾取、传输、存储和重放的技术。 ?? ??? 。;声学基础;一、声音的频率范围;自然界中发声体发出的声音从频率角度分两类: 纯音和复合音 纯音: 单一频率成分的音 复合音:两种以上频率构成的音,可以分 解为许多纯音之和 超低音:习惯上称频率低于60Hz的声音 低音: 频率为60-200Hz的声音 中音: 频率为200-1KHz的声音 中高音:频率为1-5KHz的声音 高音: 频率高于5KHz的声音;基音:在复合音分解的信号中,频率最低 的一个纯音成分 泛音:比基音频率高整数倍的纯音成分 ;二、基本声学量;(一)、声波;媒质质点的运动和波的运动;描述声场及声波性质的物理量: 有声波的空间或区域称为声场。 与振动有关的物理量有质点振动的位移、速度、加速度。 与媒质的状态发生了变化有关的物理量有媒质密度、压强、温度等。;物理量的选择原则在于它测试的可靠性和简便性。 对于我们最常见的媒质——空气而言,大气的压强是最容易测定的,因此,采用与压强有关的声学量来描述声过程。 即用声压、质点振速、媒质密度来描述声过程。;(二)、声 压;在声波传播的过程中,声压p是随空间位置(x,y,z)与时间t的变化而变化的,即 声场中某点某一时刻的瞬时声压值,称为瞬时声压。 而在一定时间间隔内的最大瞬时声压,称为峰值声压。 如果声压随时间的变化服从简谐规律,则峰值声压也就是声压的幅值。;声压随时间的变化服从简谐规律。 瞬时声压的方均根值就是有效声压,等于幅值的0.707倍。 一般仪表测试的往往是有效声压值。因此,在实际应用中人们习惯上所指的声压也往往是声压有效值。 声压的基本单位为帕(Pa),同时有 1帕=1牛顿/米2 1微巴=1达因/厘米2 1帕=10微巴 ;(三)、声波方程;图; 令活塞以频率?作简谐振动,并取活塞的表面 中心(平衡位置)为原点O,以管轴的方向为x轴。诚然,管内的质点运动状况不仅与时间t有关,而且还与质点在管中的位置有关。 在原点处,亦即在活塞表面处,空气质点的运动与活塞的运动显然是相同的,它在时刻t离开平衡位置的距离(即位移)?是由活塞的谐振动方程决定的。;所谓管内的声波,指的就是空气质点振动能量在管内传递的过程。 因此,在离原点O的某一距离处B的空气质点也将在其平衡位置附近作谐振动,只不过振动从O点传到B需要一段时间而已。 也就是说,O点和B点所不同的是它们的起振时间不同。这种时间上的差距就是相位的不同,即这两者之间存在着一定相位差。; 如果以c表示声波的传播速度(简称声速),则B处的质点将比O处滞后?t=x/c开始振动,其相位差则为?x/c。 为了简便起见,暂且忽略空气吸收,那么,振动的振幅将保持不变;振动的频率也保持不变,因此,B处的空气质点在比O处延迟了?t时间后,就将重复O处的振动,即B处的质点位移可用下式表示: ξ=Asin ?(t-χ/c) (2-47);因为B点是任意选取的,可见,x是任意的。 因此,(2-47)式就描述了在平面声波传播过程中,媒质中任何一点、在任一时刻的质点位移。 它反映了有声波存在时,媒质质点的位移随时间与空间的变化规律。 这就是以质点位移表示的声波方程。;从(2-47)式可以看出,波动方程中含有两个自变量t和x。这两个自变量反映了质点位移?与时间t和空间位置x之间的相互关系。 x一旦确定,位移?则只是时间t的函数。这表示,在某一确定位置上,质点振动位移随时间t以正弦函数的规律变化。 在一般情况下,即除x=0外的其它位置,尽管其变化规律与活塞(声源)相同,但存在一定相位差。 换句话说,该点的振动方式在滞后x/c之后才与活塞的振动方式完全相同。;同样地,t一旦确定,则位移?仅仅是位置x的函数。 这表示,对于某一确定的时刻而言,不同质点振动的位移随空间位置也是按正弦的规律变化的。;; 波长定义为,在一周期T 的时间内声波传播的距离,即 因为周期T 的倒数就是频率f,因此,(2-48)式也可以改写为 式中c为声速。(2-49)式表明了声速c、周期T、频率f及波长?之间的基本关系。它是这些基本物理量之间的基本关系式。 ; 以质点位移表示的波动方程(1-47)式也可以写成以波长?表示的形式 ξ=Asin 2π(ft-χ/λ)= Asin 2π(t/T- χ/λ) 如果声波沿x轴的负向传播,则这时的波动方程; 可以通过声传播时声压与媒质密度的变化规律,求出以声压表示的声波方程 ; 声波方程描述了声压随空间和时间变化的情况。 从声压的空间分布来讲,一维的声波方程,反映的是平面声波的声场情况,三维的声波方程才是描述声场的一般情况;从声场随时间变化上看,通常感兴趣的是在稳定的简谐声源作用下产生的稳态声场。 求出(2-53)式在一维情况下的解; 在无限媒质中传播的平面声波的声压表达式: 式中pm是声源处的声压幅值。 (2-56)式给出了在无限媒质中平面声波的声压随时间与空间的变化状况。 在实际物理问题中,有意义的是这一复数中的实数部分,因此,常常也将(2-56)式写成以下形式:;(四)、声波的能量--声强;定义:在单位时间内,通过垂直于传播方向上的单位面积的声能量称为声强,用I表示。因此,现在的问题归结为求解某一时间间隔?t内,通过截面积S的总能量。; 质点振动的机械能(包括动能和位能)等于该质点的最大动能或最大位能。在单位体积内,质点振动的能量若以振速的幅值vm表示,则可写成 在写出(2-58)式时,已经包含了这样一个假定,即以该单位体积内质点的平均质量代替这一变量,即式中的?0是平衡态时的密度。(从统计上讲,它是正确的)。; 为了建立声能与声压之间的关系,我们引入质点振速的声压表达式 将(1-59)式代入(2-58)式,即可得出以声压表示的声振动的机械能公式:声能量密度; 在?t时间内,声波沿x轴传播过一段距离c?t,在这一时间内通过截面积为S的声能量就是在Sc?t内所具有的能量,即 根据声强的定义,则; 在实际问题中,常用的是声压有效值。若以有效声压pe表示,(2-61)式可以改写成以下形式: 这是声强与声压之间关系的重要公式,在实际计算中要经常用到的。 在米?千克?秒(MKS)制中,声强的单位是瓦/米2。;声源的声功率是指声源在单位时间内供给媒质的能量,即在单位时间内辐射的能量,通常用W表示。显然,声源的声功率W与声强I之间存在以下简单关系: 式中S是声强为I的声波所通过的垂直于声传播方向的面积。 声功率的基本单位为瓦。 1瓦=103毫瓦=106微瓦;声源的声功率与声源实际损耗的功率不同。 声功率仅仅是总功率中以声波形式辐射出去的一小部分。 例如,一个标称为10瓦的扬声器,以声波形式辐射出去的声功率通常不过0.2瓦左右。;总结;三、声波的传播;(一)、声波的逸散与吸收;声波的逸散;波阵面又称“波前”。它是同一时刻,相位相同点的轨迹所形成的曲面。 对于空间行波而言,显然,平面波、柱面波或球面波的波阵面分别为平面、柱面或球面。;点声源(球面波);设想有一个声功率一定的点声源,在距离r=r0处的声强为I0,则通过此球面的总声能E0, 当这一球面波传播至r处时,在不考虑声波吸收等因素的情况下,总声能将保持不变,因此,通过以半径为r的球面上的声能也将保持不变。;在距离r=r0处的声强为I0,则通过此球面的总声能 当这一球面波传播至r处时,在不考虑声波吸收等因素的情况下,总声能将保持不变,因此,通过为半径r的球面上的声能也将保持不变。若以I表示r处的声强,则;亦即 可见,球面声波的声强是按距离平方反比的规律衰减的。 考虑到声强与声压之间的关系,相应的声压则按距离反比的规律衰减。 根据(2-93)式,我们在已知距声源某点的声强后,就很容易求出声场中任何一点的声强或声压值。;对于柱面波,由于波阵面的面积是与距离成正比,因此,其声强将按距离反比的规律衰减,而声压则按距离平方根反比的规律衰减。 柱面波声强随距离的衰减要比球面波缓慢得多。 频率与平面声波一样,球面波和柱面波不随时间变化,与声源保持相同,因此,在传播过程中声波的频率将保持不变。变的是强度。;虽然球面波与柱面波随距离的变化规律与平面波不同,但以前有关平面波的公式,凡只涉及时间变化的量,如位移、速度、加速度及声压、声强等的关系式,对于球面波或柱面波仍然适用。 但涉及随距离变化的量,则不能直接引用,而必须作相应修改。;声波的吸收; 声强的改变量?I是与声波的声强I及声波传播的距离?x成正比,可用下式表示: 式中2?是比例常数,负号表示随声波传播距离的增加,声能是逐渐减小的,亦即当传播距离?x为正时,声强的“增量”应为负。(2-94)式也可以写成:;当?x?0时,(2-95)式可以改写成微分形式: (2-96)式是以微分方程的形式把声强与声传播距离联系起来的关系式。 求出这一方程的解,就可建立它们之间的函数关系。从(1-96)式不难得出:;如果以声压表示,则有 式中p0 为x=0处的声压值。 用 表示媒质的声能衰减系数,它与频率有关。 频率越高,α取值越大。;[例1]设有两列频率分别为400赫与8000赫的平面声波,试求它们在空气中传播了1000米后的声压级减小值。 [解]设声波在x=0 处的声压为p0,相应的声压级为L0,则从(2-98)式可知,在声波传播至x 处时,其声压应为;显然,声压级的减小值为 对于f=400Hz而言,?? 10 -4 (米??),以x=1000米代入(2-99)式,则;显然,声压级的减小值为 对于f=400Hz而言,??10 -4 (米-1 ),以x=1000米代入(2-99)式,则 ;对于f=8000Hz而言,??9?10-3 (米-1),以x=1000米代入(2-99)式,则;图;重要的结论;[例2]设有一频率为8000赫的球面声波,它在距声源中心r0=10米处的声压级L0=120dB,试求在距离声源中心r=20、100、1000米处的声压级。 [解]从(2-99)式可知,由于空气的吸收而产生的声压级减小量?L由下式决定;由于声波的逸散而产生的声压级减小量应为 因此,总的衰减量 根据题意,可以算出r处的声压级L=L0??L,如下表所示。 ;逸散和吸收结论;(二)、声波的迭加;两列声波迭加时可分成以下两种情况: (1)两列声波产生的振动,在相位上没有固定的联系,而带有随机的特性。 两列不同频率的声波在某点产生的振动,时而会相互加强,时而又相互减弱,随时间平均后的结果,与没有发生作用的情况一样。具有这种相互关系的声波称为不相干波。 ; 如果用声压表示,则迭加后的声压有效值是各自声压有效值平方和的开方。 对于n个不相干声源而言,如果它们的声压有效值分别为p1e、p2e、^^pne,则迭加后的声压有效值为;(2)两个声波产生的振动,在相位上存在固定的联系,并在同一方向上振动。 迭加后的声波就始终在某些点上相互加强或削弱。这种现象称为波的干涉。 能够相互干涉的波称为相干波。 干涉现象是波动特有的重要性质之一。 波动过程的两种声干涉现象——拍与驻波;举 例;四、人耳的听觉感知特性 ;在人耳的可听域范围内,声音听觉心理的主观感受主要有: 1、响度—声强 2、音调—频率 3、音色—频谱 4、掩蔽效应 等听觉特性。;声音三要素;1响度;声压;声压是一个重要的声学基本量,在实际工作中经常会用到。 例如 混响时间是通过测量声压随时间的衰减来求得的; 扬声器频响是扬声器辐射声压随频率的变化; 声速则常常是利用声压随距离的变化 (驻波表)间接求得的。;声压级;基于以上两方面的原因,所以常用声压的相对大小 (称声压级)来表示声压的强弱。声压级用符号SPL表示,单位是分贝 (dB), 可用下式计算:SPL=20LgP/Pref (3-1) P 为声压有效值;Pref为参考声压,一般取2×10-5Pa,这个数值是人耳所能听到的1kHz声音的最低声压,低于这一声压,人耳就无法觉察出声波的存在了。;响度;但是: 响度与声波的振幅并不完全一致。 响度不仅取决于振幅的大小,还取决于频率的高低。 振幅越大,说明声压级越大,声音具有的能量也越大,而响度则说明对听觉神经刺激的程度。 ;事实上: 即使在可听声的频率范围 (20Hz~20kHz)内,对于声压级相同而频率不同的声音,人们听起来也会感觉不一样响。 对强度相同的声音,人耳感受1~4kHz之间频率的声音最响,超出此频率范围的声音,其响度随频率的降低或上升将减小。 对于同一强度的声波,不同的人听到的效果并不一致,因而对响度的描述有很大的主观性。 ;响度的单位是宋 (sone)。 国际上规定,频率为1kHz的纯音在声压级为40dB时的响度为1宋 (sone)。 大量统计表表明,一般人耳对声压的变化感觉是,声压级每增加10dB,响度增加1倍,因此响度与声压级有如下关系: N=20.1(SPL-40)(3-2) N 为响度 (单位为sone),SPL为声压级 (单位为dB)。;响度级;例如: 1kHz纯音的声压级为0dB时,响度级定为0phon; 声压级为40dB时,响度级定为40phon,响度为1sone。 当其他频率的声音响度与1kHz纯音响度相同时,则把1kHz的响度级当作该频率的响度级。 从响度及响度级的定义中可知,响度级每增加10phon,响度增加1倍。;等响度曲线;人耳听觉的等响度曲线图 ;等响度曲线具有的性质;听阈与痛阈;听阈;痛阈;小于0dB听阈和大于120dB痛阈时为不可听声,即使是人耳最敏感频率范围的声音,人耳也觉察不到。 人耳对不同频率的声音听阈和痛阈不一样,灵敏度也不一样。人耳的痛阈受频率的影响不大,而听阈随频率变化相当剧烈。人耳对3~4kHz声音最敏感,幅度很小的声音信号都能被人耳听到;而在低频区 (如小于800Hz)和高频区 (如大于5kHz),人耳对声音的灵敏度要低得多。;响度级较小时,高、低频声音灵敏度降低较明显,而低频段比高频段灵敏度降低更加剧烈,一般应特别重视加强低频音量。 通常200Hz~3kHz语音声压级以60~70dB为宜, 频率范围较宽的音乐声压级以80~90dB最佳。;2音调;频率为1kHz、声压级为40dB的纯音所产生的音调就定义为1Mel。Hz与 Mel是表示音调的两个不同概念而又有联系的单位。 音调大体上与频率的对数成正比,目前世界上通用的12平分律等程音阶就是按照基波频率的对数值取等分而确定的。 声音的基频每增加一个倍频程,音乐上就称为提高一个 “八度音”。 ;除了频率之外,音调还与声音的响度及波形有关。 当声压级很大,引起耳膜振动过大,出现谐波分量时,也会使人们感觉到音调产生了一定的变化。;3 音色;例如: 在听胡琴和扬琴等乐器同奏一个曲子时,虽然它们的音调相同,但人们却能把它们的声音区别开来。这是因为,各种乐器的发音材料和结构不同,它们发出同一个音调的声音(也即基本频率相同的声音)时,振动情况是不同的。 我们每个人的声带和口腔形状不完全一样,因此,说起话来也各有自己的特色,使别人听到后能够分辨出谁在讲话。 ;音色主要是由声音的频谱结构决定的。 各种发声物体或乐器在发出同一音调的声音时,所发出的声音之所以不同,就在于虽然基波相同,但谐波的多少不同,并且各次谐波的幅度各异,因而具有各自的声音特色。 ;声音的频率成分 (谐波数目)越多,音色便越丰富,听起来声音就越宽广、感人肺腑、扣人心弦、娓娓动听。 如果声音中的频率成分很少,甚至是单一频率,音色则很单调乏味、平淡无奇。 ;如果声音经传输后频谱有了变化,则重放出的声音音色就会改变。 为了使声音逼真,必须尽量保持原来的音色。 声音中某些频率成分过分被放大或压缩都会改变音色,从而造成失真。;在语音传输系统中,最重要的是保持良好的清晰度。 适当减少一些低音和增加一些中音成分,特别是鼻音或喉音很重的人,改变低频部分的音色,有利于改善语音清晰度。;表征声音的其他物理特性还有时值,又称音长。 它是由振动持续时间的长短决定的,具有明显的相对性。 一个音只有包含在比它更短的音的旋律中才会显得长。 音长的变化导致旋律的行进,或平缓、均匀,或跳跃、颠簸,以表达不同的情感。 ;人耳的听觉特性并非完全线性。声音传到人的耳内经处理后,除了基音外,还会产生各种谐音及它们的 “和”音和 “差”音,并不是所有这些成分都能被感觉。 人耳对声音具有接收功能、选择功能、分析功能和判断响度、判断音调和判断音色的功能。 ;人耳的掩蔽效应;绝对听阈;在800~1500Hz范围内听阈随频率变化最不显著,即在这个范围内语言的可懂度最高。;掩蔽听阈、掩蔽量 ;例如:当两人正在马路边谈话时,一辆汽车从他们身旁疾驰而过,此时,双方均听不到对方正在说些什么,原因是相互间的谈话声被汽车发出的噪声所掩盖,也就是弱声音信号被强声音信号掩蔽掉了。;(1)掩蔽效应结论;2)噪声对纯音的掩蔽: 噪声是由多种纯音组成,具有无限宽的频谱。 ●若掩蔽音为宽带噪声,被掩蔽音为纯音,则它产生的掩蔽门限在低频段一般高于噪声功率谱密度17dB,且较平坦;当频率超过500Hz时,大约每10倍频程增大10dB。 ●若掩蔽音为窄带噪声,被掩蔽音为纯音,则情况较复杂。其中位于被掩蔽音附近的由纯音分量组成的窄带噪声即临界频带的掩蔽作用最明显。 ;临界频带;(2)掩蔽类型;频域掩蔽;例如:频率在300Hz附近、声压级约为60dB的声音可掩蔽掉频率在150Hz附近、声压级约为40dB的声音,也可掩蔽掉频率在400Hz附近、声压级约为 30dB 的声音。 又如,同时发出两个不同频率的声音,一个是声压级为0dB、频率为1000Hz的纯音,另一个是1100Hz的纯音,前者的声压级比后者高18dB,在这种情况下,人耳就只能听到那个1000Hz的强纯音。 如果有一个1000Hz的纯音和一个声强比它低18dB的2000Hz的纯音同时发出,那么人耳将会同时听到这两个声音。要想让2000Hz的纯音也听不到,则需要把它降到比1000Hz的纯音低45dB。;低频的音容易掩蔽高频的音;;时域掩蔽。;前掩蔽、后掩蔽。;掩蔽效应的应用

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