第一单元音频声学基础

第一单元音频声学基础

第一章音频声学知识 声音的重要性 • 声音是人类感知客观世界、获取生存信息的一个重要途径。 • 著名实验心理学家Treicher的实验显示，在人类获得信息的各种途径中，除视觉占绝对优势低位外，第二位就是听觉。

风声雨声歌声

声波 • 振动的物体带动周围介质的震动并向远处传递这种振动，便产生了波，这种波叫机械波。 • 声波就是一种机械波。波动传播的方式分为横波和纵波两种。

声波 • 当媒体指点的震动方向与波动传播的方向垂直时，称之为横波。例如手抖动绳子产生的波属于横波。

声波 • 当媒体质点的震动方向与波动传播的方向平行时，称之为纵波。 • 声波就是一种纵波。是振动物体带动附近的空气质点的振动，并使空气疏密间隔地向远方传递。例如挤压一段弹簧、敲锣。

声波的形成 • 声波是机械振动或气流扰动引起周围弹性的介质发声波动的现象。 • 声波既可以在气体中传播，也可以在液体或固体中传播，在不同的介质中传播的速度是不同的。

声波的形成 • 产生声波的必要条件 • 声源：发出振动的物体或物质，其振动可能是自发的，也可能是受外界的事件影响而被激发的。 • 介质：也称为媒质，是指能将声音振动进行传播的物质，可以是固体、液体或气体。

描述声波的物理量——周期 • 周期——通常把振动物体完全振动一次所需要的时间叫做周期。周期反映该振动重复的快慢周期越长振动的重复越慢周期越短振动的重复越快

描述声波的物理量——频率 • 频率——频率是指单位时间内完成振动的次数。 • 它是声音的一个主要的技术指标，单位是赫兹（Hz）。例如：标准钢琴的中央C音，每秒钟振弦261次半，即261.5 Hz. • 简单来说，频率越低，声音就越低沉、飘渺；反之频率越高，声音则越明亮、高吭。

描述声波的物理量——频率 • 对于各种生物来说，太高和太低的声音是听不见的，存在一个“可听范围”。人的平均听觉范围是 20～20000 Hz。即次声频率低于20HZ、可闻声率20～20000 Hz、超声频率高于20000HZ。 • 生物的嗓音频率也不能无限地高或低，存在一个“发声范围”： 80～3400 Hz 。

描述声波的物理量——频率 • 日常生活中的大多数声音都不是纯音，而是由很多种频率和形状的声波混合而成，只有其中占主要地位的那个频率成分才被耳朵认为是该声音的“高度”。 • 其他成分（谐波/泛音）虽然不能控制声音高度，却协助主要频率成分共同营造出声音的另外一个特征——音色。 • 正是由于各人的音色不同，所以在听者耳朵里同一频率的声音依然存在差异。

描述声波的物理量——振幅 • 振幅指在振动过程中，质点偏离平衡位置的最大值。它反映质点振动的强度。

描述声波的物理量——波长 • 波长是波在一个周期内传播的距离。常用λ表示。通常我们把两个相邻的同相位点（如波峰或波谷）间的距离称为波长。

描述声波的物理量——波速 • 波速是指波传播的速度。波速等于波长与频率的乘积。

描述声波的物理量——声压 • 声音的大小在专业领域称为“声压/音强”，意指声音纵波对受体的物理压力。 • 对于同一音源来说，振动的越激烈（振幅越大），声压就越强，声音就越大。

描述声波的物理量——声压 • 人耳能听到的最低声压是0.0002μbar，这个极限称为可闻阈。当声压增大到（200~2000）μbar时，人耳会产生难受的感觉，有痛感，故把这个范围称为痛阈。

描述声波的物理量——声压级 • 实验证明：人耳对声压强弱的感觉是与声压的对数成正比的。因此引入声压级的概念，式中p为声压，pt为参考声压，规定取1KHZ的可闻阈声压，即pt=2× 10-4μbar。声压级的单位是分贝（dB）。

描述声波的物理量——声压级 • 一般正常谈话的声压为50～60dB。 • 繁华街道为80～90dB。 • 人耳能承受的声压极限为130～140dB，超越这个极限之后就有可能对听觉器官造成严重的甚至永久的伤害。

描述声波的物理量——声强与声强级 • 单位时间内通过与制定方向垂直的媒质单位面积的能量称为声强。 • 声强级是声强相对于参考声强的分贝值。

描述声波的物理量——声功率与声功率级 • 声源在单位时间内辐射的总的声能量，被称为声源辐射功率，简称声功率。 • 声功率级为某声功率W与基准声功率w0之比，取以10为底得对数再乘以10。

声波的传播特性 • 声速 • 不同媒质中声波的传播速度不同，如水中声速约为1440m/s，钢铁中声速约为5000m/s。

声波的反射、折射与绕射 • 声波在传播过程中碰到坚硬的物体，一部分声波的传播方向会发生改变，这就是声波的反射现象。另外有一部分声波将透过物体继续前进，不过方向往往发生改变，亦即折射。 • 当声波遇到障碍物或其他不连续性介质时，波阵面发生畸变现象，即衍射，亦称“绕射”。

衰减 • 引起声音衰减的原因主要有两个。 • 其一，是球面扩散的反平方律。 • 其二，是由于空气媒介具有一定的黏滞性，媒质质点运动时会发生摩擦，使一部分声能变成热能消耗了。

声波的吸收 • 当声波遇到障碍物时，由于微粒的相互摩擦而损耗，即声波被吸收。障碍物所吸收的声能被转化为热能。 • 被吸入的声能和入射声能的比值成为反射面的吸声系数。石膏板、玻璃、木头、砖石、混凝土等都是坚硬的密度材料，它们的吸声系数往往＜0.05。相反，软质、多孔材料允许声波渗透传播，因而它们的吸声系数可接近1.00，即全部吸收入射声能。

声波的干涉 • 声波的干涉是指一些频率相同的声波叠加后所发生的现象。干涉的结果是使空间声场中有一个固定的分布，形成驻波。如果它们的相位相同，则两个声波互相叠加而加强；若相位相反，则叠加后会减弱。 • 实际应用中也常会利用声波的干涉现象来达到某种预期的效果（如声柱）。

几种常见的声学效应 • 声谐振——任何物体都存在由质量和弹性所决定的固有振动频率。一个物体吸收了与固有振动频率相同的振动能量而随之振动，称之为共振，因声波所形成的共振叫声谐振。例如：把空瓶口贴在耳边，我们听到的那种特别的声音，就是声谐振的结果。

几种常见的声学效应 • 声梳状滤波器效应——声梳状滤波器效应是指通过不同传输途径的同一声信号所产生的声或电的干涉现象。 • 干涉的结果，使一些声波频率响应出现周期性的极大（相位相同）与极小（相位相反）。此时的频率响应曲线犹如一把梳子而得名。

几种常见的声学效应 • 例如：声梳状滤波器效应在录音、扩音中经常遇到。当两个歌手重唱时，其中一个歌手离自己的传声器距离为d1 ，离相邻歌手传声器距离为d2 ，则他的歌声同时被两个传声器所接收，至调音台混合时就产生梳状滤波器效应而使歌声严重失真。

几种常见的声学效应 • 多普勒效应——多普勒（Doppler）效应是声源与接收器作相对运动时产生的一种声学效应。当声源以某一速度迎面而来（离去）时，或者人向声源靠近（远离）时，则会发现频率升高（降低）现象。

对声音的主观感受——响度 • 声压是“客观”的，响度是“主观”的。 • 声学上常用响度级来描述响度。响度级的定义是：将一个声音与1kHZ的纯音作比较，当听起来两者一样响时，这是1kHZ纯音的声压级数值就是这个声音的响度级。响度级的单位是方（phon）。响度的单位是宋（sone）。

对声音的主观感受——响度

对声音的主观感受——响度 • 等响曲线是反映人耳对声压的主观感受的曲线。以纯音作为测试信号，测量不同频率的测试信号听起来等响时的声压级。从等响曲线可以看出，随着响度的增加，频率对响度的影响越来越小。

例如：在听音乐时，若把音量开大到声强级80dB以上，会感到高、低音都很丰满。例如：在听音乐时，若把音量开大到声强级80dB以上，会感到高、低音都很丰满。

音调 • 音调是人耳对声音调子高低的主观感受。 • 音调的高低主要取决于声音的频率。频率越高，音调越高；频率越低，音调越低。

音色 • 音色是人在主观感觉上区别同样响度和音调的两个声音不同的特性。 • 音色主要取决于声音的声谱结构，与音调及响度也有一定的关系。

音型 • 声音振幅的总体变化趋势称为“包络”。 • 声音的谐波组成和波形的包络，包括声音起始和结束的瞬态，确定了声音的特征。

音质 • 响度、音调、音色和音型的品质，共同决定了声音的音质。 • 关于音质的研究就是音频技术的最主要内容。

可听声范围 • 具有正常听力的12岁～25岁青年能够感受到的声音频率范围为20Hz～20kHz。年龄越大，可感受到的频率上限越低。 • 一般来说，声压级在0dB（1kHz）以上的声音人们是可以听到的，超过120dB人们听起来就觉得太响，耳朵会有痛感。

人耳的听觉效应 • 掩蔽效应——当轻度不同的两个声音同时出现时，强度大的声音会把强度弱的声音淹没掉，此时人耳只能听到强度大的声音而听不到强度弱的声音。要听到强度弱的声音，必然要提高若声音的强度，这种一个声音的阈值因另一个声音的出现而提高的现象称为听觉掩蔽效应。如下图所示。

人耳的听觉效应

人耳的听觉效应 • 哈斯效应两个重复声A、B之间的时间间隔小于17ms 无法分辨小于30ms 无法分辨（方向相同或相近） 30～50ms 大于50ms 能清晰分辨听觉上可以感到延迟声的存在，但仍然感到声音来自未延迟的声源这种现象称为哈斯效应（Hass effect）,又称为延时效应。

人耳的听觉效应 • 耳壳效应——通过对听觉定位的进一步研究发现，当外界声音传入人耳时，耳壳对声波有反射作用。由于耳壳是椭圆形的，各部位离耳道的距离不同，形状也不同，因而当直达声经各个部位反射到耳道时，会产生不同延时的重复声，而且这些重复声是随着直达声的方位不同而不同。人耳借助这些重复声的差别，也可判断直达声的方位。这就是耳壳效应。

人耳的听觉效应 耳壳效应

人耳的听觉效应 • 双耳效应——人的双耳位于头颅两侧，它们不但在空间上处于不同的位置，而且还被头颅阻隔，因此，由同一声源传来的声波，到达两耳时，总会产生不同程度的差别。

人耳的听觉效应 • 人耳听觉的非线性——理论分析与实验都证明，人类的听觉系统如同一些电声设备系统一样，并不是完全线性的。人耳对音高变化的感受不是线性关系而是接近于对数关系。如I为人耳感受到的高度，R为音高的物理量，则 I=K*lgR（K为常数）

人耳的听觉效应 • 听觉疲劳——人们在强声压环境里经过一段时间后会出现听阈提高的现象，即听力下降。如果在安静的环境中停留一段时间，听力就能恢复，这种听阈暂时提高，事后可以恢复的现象称为听觉疲劳。 • 听力损失——如果听阈的提高即听力下降是永久性的、不可恢复的，则称为听力损失。

人耳的听觉效应 • 强声暴露对听觉的危害有三种： • 第一种是声创伤，指在一次或数次极强声波暴露中造成人耳器官组织的损害。 • 第二种是暂时性听阈提高，即产生听觉疲劳。 • 第三种是永久性听阈提高。

立体声原理 • 由于从声源分别传达到聆听者两耳的时间并不相等，加之聆听者自己头部的掩蔽作用，所以到达两耳的声波不完全相同，因而在两耳间具有一定的时间差和声级差。

立体声原理

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