第一章声波的传播特性及听觉特性
第一节声波的传播特性
声波是由物体振动产生的，当振动在一定的频率和强度范围内时，人耳就可听到。振动发声的物体称为声源，有声波传播的空间称为声场。当声源在空气中发声时，媒质质点在平衡位置附近作往复振动，媒质中振动着的质点的位移会作用到相邻质点，使后者也产生振动，于是，振动形成波动，在空间传播开来，在声源周围形成疏密交替的空气压力波，称为声波。声波在150C时，大约以340m/s的速度由声源向外传播。气体中的声波属于纵波，即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上。
在传播过程中不受反射而向前行进的声波，称为行波。在某一时刻，空间行波相位相同各点的轨迹曲面称为波阵面，也称为波前。波阵面为平面的声波称为平面声波。
尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球面扩展的，波阵面为球面，称为球面声波。这种声源称为点声源。现实中的声源，即使具有一定尺寸，但在距离与声源尺寸相比充分远时，也可将它看作点声源，在这样的距离处得到球面声波。当距离远到一定程度时，波阵面即与平面声波的波阵面相接近，可看作平面声波。
声能从声源沿波阵面的法线方向传播的路径称为声线，在各向同性的媒质中，声线是代表声波的传播方向。例如球面声波的声线就是球面的半径线。
声波的瞬时状态可用声压、媒质质点振速和媒质密度中的任何一个来描述。
（1）声压：有声波存在时，在静态大气压强上叠加的变化分量称为声压。
（2）质点振速：有声波存在时，媒质质点的振动速度。单位为m/s。
（3）媒质密度：单位体积内的媒质质量称为媒质密度。有声波存在时，媒质密度要产生稠密稀疏的变化。单位为kg/m3。
一、声波的反射
声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波波长的坚硬界面，会产生反射。声波从界面反射的角度与声波入射到界面的角度相等，即反射角等于入射角。反射的声波如同从界面后面与声源相对应位置处发射出来的一样，即如同在该位置处有一声源，称为虚声源，也称为镜像声源，它与界面的距离等于声源与界面的距离，如图1-1所示。
图1-1 声波的反射
当声源在一个凹界面前，声波会产生聚焦，如图1-2所示。对于播音室来说，为了声音良好扩散，应避免凹界面。
图1-2 声波在凹界面前的聚焦
当声源在一个凸界面前，声波会产生扩散，如图1-3所示。播音室中经常采用凸面结构，以增加声波的扩散，使声能密度均匀。
图1-3 声波在凸界面前的扩散
二、声波的干涉
由几个声源产生的声波，同时在同一媒质中传播时，如果这几个声波在某点相遇，在相遇处媒质质点的振动将是各个声波所引起的分振动形成的合振动，质点在某一时刻的位移是各个声波在这一点所引起的分位移的矢量和，这就是声波的叠加原理。也就是说，每个声波都独立地保持自己的原有特性（如频率、波长、振动方向等）。因而，几种乐器同时演奏或几个人同时说话时，我们也能分辨出各种乐器和各个人的声音。
两个声波传到媒质中的一点时，如果两声波在该点产生的振动是同相的，则这点的振动会加强；如果两声波在该点产生的振动是反相的，则该点的振动就会互相减弱或抵消。
当两个频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的声源所发出的声波叠加时，会使某些点的振动加强，某些点的振动减弱，甚至被抵消而不振动，这种现象称为声波的干涉现象。产生干涉的声波称为相干声波，相应的声源称为相干声源。
当一个声源处于两个具有很小吸声性能的平行界面之间时，垂直入射的声波与反射声波会产生干涉现象，干涉的结果在空间形成振幅分布恒定不变的振动，称为驻波。
两个频率相近，强度相差不多的声波相遇时，由于两者间的相位差时刻在变化而使叠加后的声波振幅作周期性变化，合成的声波会在时间上有强弱变化，这种现象称为拍。振幅变化的频率等于原来两个频率之差，称为拍频。
三、声波的衍射和绕射
由于媒质中的障碍物或其他不连续性而引起声波波阵面畸变称为衍射（或绕射）。
如图1-4所示，当声波在传播过程中遇到有小孔的大障碍物时，如果小孔宽度大于声波波长，声波将从小孔穿过向前传播；如果小孔宽度小于声波波长，则在障碍物另一侧的声波有如一个以小孔为中心的新的声源发射的声波。当声波的波长远大于障碍物尺寸时，声波可绕过障碍物向前前进；当声波的波长小于障碍物尺寸时，声波会被反射一部分，障碍物后面会形成一无声区。
图1-4 声波的衍射和绕射
（a）小孔宽度大于声波波长（b）声波波长小于障碍物尺寸
（c）小孔宽度小于声波波长（d）声波波长大于障碍物尺寸
四、声强
声波的强度可以用声压幅度来表示。如果声源是一个点声源，在距声波不太远的范围内，声波的波前为球面，声压幅度将与距离平方成反比。如果声源很大，或离开声源很远，则声波波前为平面，声压幅度就不随距离远近而变化，而是保持一个恒定大小。在实际中，由于空气对声波的吸收，声波的能量会逐步损失，直至使声压幅度降为零。
声波的强度用声强（I）来表示，单位为W/m2（瓦/米2）。与声波传播方向垂直的单位面积上单位时间内通过的声能称为声强，即通过与声波传播方向垂直的单位面积上的声功率。
第二节人耳的听觉
一、人耳的听觉器官
图1-5为人耳的剖面图。它分为外耳、中耳和内耳三个部分。
图1-5 人耳的剖面图
1．外耳
由耳廓（耳壳）和外耳道组成。耳廓起收集和向外耳道反射声音的作用，外耳道将声
音传送给中耳。外耳道的自然谐振频率约为3400Hz，由于外耳道的共鸣，以及人头对声音产生的反射和衍射，人耳对2-4kHz的声音感觉约可提高15-20dB。
2．中耳
由鼓膜和三块听小骨组成。鼓膜是一个漏斗状薄膜，声波激励鼓膜振动，并将振动传给三块听小骨。听小骨具有一些非线性，使人们对一个频率的声音能产生出它的谐音的感觉。
中耳的腔室里充满空气，并且通过一根平衡管与喉头相连，使作用于鼓膜两边的压力能够平衡。这个平衡管称为耳咽管。
3．内耳
由三个半规管和耳蜗组成。耳蜗呈螺旋形，状似蜗牛，是一骨质腔体，内部充满淋巴液。耳蜗沿其长度被基底膜分为两部分，分别称为前庭阶和鼓阶。在基底膜上分布有大量毛细胞，每根毛细胞上都连有末梢神经。
人耳听声的详细过程如下：声音通过耳廓和外耳道到达鼓膜，使鼓膜产生相应的振动。鼓膜的振动经类似杠杆系统的三个听小骨放大后，传到耳蜗的卵形窗，并传递给耳蜗内的淋巴液。耳蜗通过大约4000根神经末梢与大脑相连。
耳蜗是一个选频器官。高频声音激励靠近卵形窗的神经末梢；中频声音激励中部的神经末梢；末端的神经末梢则被低频声音激励。当耳蜗的某个范围被相应频率的声波激励时，这个部位的毛细胞就会使相连的神经末梢发出电脉冲，并将电脉冲传给大脑。每单位时间的脉冲数取决于声音的强度。声音越强，毛细胞受到的激励越厉害，单位时间内传给大脑的电脉冲数就越多。因此，耳蜗是个很好的声音分析仪，它能从一个复合的声音中分辨出各个频率。
用人耳辨别声音的音调，只需听到振动的几个周期就能分辨得一清二楚。在听觉范围内人耳能认定和区分大约1500种不同的音调。
二、人耳对声音的感受
人耳对声音的感受，在频率及声压级方面都有一定的范围，在这个范围外的声音人耳是感觉不到的。人耳能感受的声音频率范围因人而异，也随听音人的年龄而不同。人耳的可听频率范围为20Hz-20kHz，这个范围以外的声音，无论声压级多高，人耳都听不到。高于20kHz的声音称为超声；低于20Hz的声音称为次声。年轻人可以听到高频上限的声音，超过20岁后，可听到的频率上限会逐渐下降。
声音是一种物理现象，人耳听到声音后对声音的感受却是一种心理现象，首先应弄清楚人耳的主观感受与声音的物理量之间的关系。通常将人耳对声音的三种主观感受，即响度、音调和音色称为声音三要素。可以认为，响度主要与声音的振动幅度有关；音调主要与声音的振动频率有关；音色主要与声音的振动频谱有关。
1．响度
人耳对声音强弱的感觉称为响度。人耳对声音响度的感觉与声压级和频率有关，将人耳在听到不同频率纯音（正弦波）时，对所有具有相同音量感的声压用一条曲线表示后所得到的曲线族，叫等响曲线，如图1-6所示。图中每条曲线上所代表的与声压级、频率相对应的声音，人耳听来都是同样响的，也可理解为对于不同频率的声音，人耳听到同样响度时所需的声压级不同。例如，以1kHz、60dB
SPL
的声音为基准，人耳听到与它等响的100Hz声音
所需声压级为68dB
SPL ，对20Hz声音需100dB
SPL
，对4kHz声音则需51dB
SPL
。将1kHz声音以
dB表示的声压级定义为响度级，单位为phon（方）。
图1-6 鲁宾逊-达特逊的等响曲线
0phon以下的声音，人耳是听不见的，所以0phon曲线可称为听阈；120phon以上的声音会使人耳感到疼痛，所以120phon曲线可称为痛阈。
分析等响曲线可得出以下特点：
（1）人耳对不同频率声音的灵敏度不同，对中频段最为敏感，对高、低频段的敏感度下降。
（2）从听阈曲线可看出，4kHz左右是曲线的最低点，即人耳听到4kHz左右声音所需的声压级最小，因而对4kHz左右的声音最为敏感，这是由于外耳道共鸣所引起
的。
（3）声音声压级越高，人耳听觉频响越趋平直；声压级越低，人耳听觉频响越不好，高频低频都会有所损失。
，（4）对100Hz以下的低频声，人耳的灵敏度会急剧下降，对20Hz声音的听阈为70dB
SPL
。通常因此为了进行有适当低音的调音，监听扬声器的声压级至少应为70dB
SPL
。当监听音量减小时，高频、低频声会有所监听扬声器的声压级取为70-90dB
SPL
损失，因而改变监听扬声器的声压级会使不同频段的音量平衡发生变化。
（5）曲线族之间的间隔在1kHz附近几乎是均等的，说明人耳对1kHz附近的频率，
值与听觉上的音量感的变化是比较一致的。因此，选定1kHz声声压变化的dB
SPL
音作为各种声音的声压级基准。
根据上述特点分析，当改变重放音量时，各个频率的声音的响度级也将改变，所以人们会感到声音的音色有变化。即使是一个高级的放音装置，在低声级放音时，也会感到放音频带变窄，声音单薄；相反，即使是一个低级的放音装置，在提高放音音量时，也会感到放音频带展宽，声音较丰满。为了减小等响曲线的影响，可以在前置放大器部分安装响度控制器，使在低声级放音时，能根据等响曲线自动地将低声频段和高声频段声音的声级进行反校正，将它们相应提高。
2．音调
人耳对声音高低的感觉称为音调。音调主要与声音的频率有关，频率高则音调高，频率低则音调低，但不成正比，而是一种对数关系。十二平均律等程音阶是将一个倍频程（频率相差一倍的两个声音的音程）的频率按照频率的对数关系划分成十二个等份而构成的，相隔一个倍频程的两个音称为八度音。
音调的单位是mel（美）。将1kHz、40dB的纯音的音调定为1000美，比1000美高一倍
的音调定为2000美，比1000美低一半的音调定为500美。频率与音调之间的关系如图1-7所示。2000美的音调比1000美高一倍，但频率数却增大近四倍（约4kHz）。
图1-7 频率与音调的关系
其它影响音调的因素还有声音的声压级和声音的持续时间。
听觉有心理因素和生理因素，它们与物理量不一致的现象很多。例如，即使是物理上相同频率的声音，如果改变音量，音调的高低感觉也会有微小的变化。这种音量变化对音调感觉的影响，纯音比由许多纯音合成后的复音更为显著。特别是当低频声减小音量时，会感到音调升高；增大音量时，会感到音调变低。高频声正相反，减小音量时，会感到音调降低；增大音量时，会感到音调变高。因此，在小音量情况下，必须将低频声的音调调低一些，而将高频声的音调调高一些才能得到应有的音调。
3．音色
音色是听觉上区别具有同样响度和音调的两个声音的主观感觉，也称为音品。音色主要由声音的频谱结构决定，即由声音的基频和谐波的数目以及它们之间的相互关系来决定。
由于各种发声体的材料和形制结构不同，发声机理也不尽相同，即使它们发出相同音调、相同响度的声音，在基频相同的情况下，谐波的成分和幅度也会有所区别，人耳听到的主观感受便是音色不同。每个人讲话都有自己的音色，每种乐器也都有自己的音色。声音的频谱结构可用频谱图表示。频谱图以频率的对数坐标作为横坐标，以声压级作为纵坐标，将基频和谐波按幅度大小以相应高度的纵线表示在相应频率坐标上。图1-8所示为长笛、小提琴的频谱图。长笛的谐音少，音色圆润；小提琴的谐音多，音色粗糙。
图1-8 频谱图举例
（a）长笛的频谱图（b）小提琴的频谱图
另外，音色还与发声体振动的起振、稳定和衰减的时间过程有关。时间过程可简称为时程，或称为时间轴上的包络形状，在电子音乐中称为音型。时间过程和频谱结构共同决定了每种乐器所特有的音色。
起振阶段（也称为建立阶段）指在激发弦或空气柱使振动开始的瞬间，即开始振动而振幅还不大，并且还不稳定的那段时间。例如铜管乐器激发的时间一般为40ms左右，强激发时最长为80ms，但在弱激发时最长可达180ms。
稳态阶段是乐音过了起振阶段以后，振幅增至最大并保持恒定不变的阶段。例如弦乐器中的提琴、二胡，管乐器的长笛、小号等有稳态阶段，而板鼓、梆子等打击乐器则基本上没有稳态阶段。
衰减阶段是振幅开始减小直到完全停止振动的阶段。有的乐器衰减阶段很短，有的却很长。例如扬琴、竖琴的衰减时间就很长，可达1-2s以上。一般乐器的衰减时间，高音较短，低音较长。
图1-9为风琴和钢琴的时间过程图。风琴的时间过程是：起振较缓慢，在短时间保持一定的稳态声级，然后较缓地衰减。钢琴的时间过程是：起振较快，然后逐步衰减。
图1-9 时间过程举例
（a）风琴的时间过程（b）钢琴的时间过程
三、人耳听觉的几个效应
1．掩蔽效应
在寂静的环境里，人耳能分辨出轻微的声音，但在嘈杂的环境中，轻微的声音完全被淹没掉了。要想听到原来轻微的声音，就必须使它增强才行。这种由于第一个声音的存在而使第二个声音提高听阈的现象，称为掩蔽效应。第一个声音称为掩蔽声，第二个声音称为被掩蔽声。第二个声音听阈提高的数值称为掩蔽量，以dB表示。提高后的听阈称为掩蔽阈。因此，一个声音能被听到的条件是这个声音的声压级不仅要超过听者的听阈，而且要超过它所在背景环境中的掩蔽阈。
图1-10中的实线表示一个60dB、400Hz纯音对其它纯音的掩蔽量。由图可知，对不同频率的掩蔽量不同，对掩蔽声附近的频率掩蔽量最大。另外，纯音掩蔽的特点是在两者频率相近处，由于产生拍频而使掩蔽量产生谷值。当掩蔽声强时，由于人耳的非线性，在耳内会产生谐波，所以在2倍与3倍的频率处也同样产生谷值。比掩蔽声频率高的声音容易被掩蔽，即低频声容易掩蔽高频声，高频声较难掩蔽低频声。图1-11为不同声级的400Hz和1200Hz 声音对其它声音的掩蔽图，由图可知，掩蔽声声级越大，掩蔽的频率范围和掩蔽量也越大。
图1-10 60dB、400Hz声音和窄带噪声的掩蔽图
图1-11 不同声级400Hz和1200Hz声音的掩蔽图
对于复音，掩蔽效应会影响音色。设有一包含400Hz、1200Hz、2800Hz三个频率分量的复音，已知三个分量的声压级分别是60dB、20dB、20dB。由图1-10可知，第一个音（400Hz）的声压级为60dB的曲线，对于1200Hz的掩蔽量是30dB，所以1200Hz声音被400Hz声音掩蔽而听不到。而400Hz声音对2800Hz声音的掩蔽量是8dB，抵消后还有12dB（即在听阈之上12dB）。所以，人耳只能听到400Hz和2800Hz两个分量的复合音，且两者的比例改变了，复音原来的音色发生了变化。
通常窄带噪声的掩蔽作用比频率等于窄带噪声中心频率的同样强度的纯音要大。声级较低时，窄带噪声的掩蔽只限于中心频率附近较窄的范围，声级越高掩蔽区也越宽，并且对高于中心频率的声音掩蔽作用大。图1-10中虚线所示为中心频率410Hz、带宽90Hz，声压级80dB的窄带噪声的掩蔽情况。它不受拍频的影响，在窄带噪声声压级低时，曲线近似对
称，随着噪声声压级的提高，曲线将越不对称，掩蔽向高频端扩展，而低频端的扩展则越来越小。
一个宽带噪声可以在很宽的频率范围内产生掩蔽作用。与纯音间的掩蔽相似，低频声对高频声掩蔽作用强，而高频声对低频声掩蔽作用弱。掩蔽声级越高，掩蔽量越大。
以上所谈到的掩蔽现象都是发生在掩蔽声和被掩蔽声同时作用的情况下，称为同时掩蔽。但掩蔽也可以发生在两个声音不同时作用的情况下，当掩蔽声作用在被掩蔽声之前时，称为前掩蔽；掩蔽声作用在被掩蔽声之后时，称为后掩蔽。总称为非同时掩蔽。
非同时掩蔽有以下一些特点：
（1）掩蔽声在时间上越接近掩蔽声，掩蔽效应越大。掩蔽现象常发生在掩蔽声声级在40dB以上时。
（2）掩蔽声与被掩蔽声在时间上相距很近时，后掩蔽作用大于前掩蔽作用。
（3）掩蔽声强度增加时，掩蔽量并不成比例增大。例如，掩蔽声增加10dB，掩蔽量只增加3dB，这点与同时掩蔽不同。
2．鸡尾酒会效应
掩蔽效应是一种生理现象。相对来说，鸡尾酒会效应则是心理、情绪引起的一种现象。
人们具有从许多声音中选择听到自己要听声音的能力。在许多人相聚的鸡尾酒会中，可以对特定人的讲话听得最清楚，这种效应称为鸡尾酒会效应。可以认为这种效应是根据讲话内容、声源的指向性和音色等要素，从嘈杂环境中听到自己需要的声音的一种能力。但传声器拾音时，不具备人的这种心理选择，而只能客观地拾取由其指向性、灵敏度、拾音方式等限定的声音。因此在实际录音时，不应被声源的内容所吸引，而应注意客观存在的物理声音，这样才能更好地把握具体的拾音方式。
3．双耳效应
用两只耳朵听声与用一只耳朵听声在效果方面有许多不同，这种不同称为双耳效应。
例如用双耳可听到比用单耳听到的更小的声音。根据测量，可知双耳可听到比单耳时低3dB的声音，随着声音声压级的增大，到达35dB以上时，这一差值可达6dB。但对噪声来说，上述关系不成立。当噪声较大时，上述差值会减小，噪声声压级大到一定程度时，双耳的听阈反而会上升，单耳的灵敏度反倒较好，这种现象称为耳间的抑制效应。
双耳效应中最明显的是对声音的定位，也就是双耳可正确地确定声源的方位，这是由于到达两耳的声音存在声级差、时间差和相位差所致。图1-12所示为水平方向正弦波声源到达两耳的声级差。可以看出，两耳的声级差在300Hz时，最大只有约4dB，但在6400Hz 时，最大可达25dB。说明人耳对高频声方位的判断主要靠声音到达两耳的声级差。
人耳对低频声主要靠时间差（相位差）来判断方位。
图1-12 水平方向正弦波声源到达两耳的声级差
4．主观音
当声音变强时，人耳会感到原来声音中所没有的频率的声音，这是由于人耳中传输声音的机构具有非线性而产生的失真，形成高次谐波，声音越强，谐波的次数会越高，这种声音是由人耳主观产生的，称为主观音。
另外，当频率为f
1及f
2
的两个声音同时到达人耳时，人们除了听到f
1
、f
2
的声音外，
还会听到f
1+f
2
和f
1
-f
2
的声音，以及f
1
+2f
2
、2f
1
-f
2
、2f
1
-2f
2
等声音，这些也都是主观音。
『课题』声波的产生和传播初中物理第二章The generation and propagation of sound waves 『教学目标』 知识目标1、使学生知道声音是由物体振动发生的。 2、使学生理解声波传播需要介质，不同的物质传播声波的速度不同。 3、使学生了解回声和利用回声可以加强原声、测量距离。 能力目标1、使学生了解科学探究的方法，培养实验和思维能力。 2、会把学到的知识解释各种现象。 情感目标1、在科学探究中体验成功的喜悦，激发学生学习物理的兴趣。 2、对学生进行热爱科学、热爱祖国的教育。 『教学重点』声波的产生原因和声波的传播特征。 『教学难点』声波的传播特征。 『教学方法』情景展示、实验探索、点拨启思、协作建构。 『教学器材』玻璃杯，音叉，乒乓球，玻璃罩，闹钟，抽气机，声音传播装置等。『课程类型』新授课（双语） 『教学过程』 (一) 引入新课（5min）The phenomenon of sound in the nature. 图一[情景展示] 自然界中常见的声音现象： 风声、雨声、蝉鸣声、汽车喇叭声，人说话声……[实验演示] 1、敲击七个装有不等水量的玻璃杯演奏音乐。 2、声音引发玻璃管内的微粒作奇妙的运动。 [图片展示] 1、日常生活中人与人的的交谈。 2、宇航员在月球上的交谈。（图一） [学生活动] 利用手中物品，发出不同的声音。 [现象质疑] 1、各种各样的声音是如何产生的？ 2、人类在地球和月球上的交谈方式为什么不一样？ 3、玻璃管内的微粒为什么会产生奇妙的舞动现象？ 要回答以上问题，下面我们一起通过活动来探索。
(二) 讲解新课（28min） The generation of sound waves. 图二 Any objects when beaten or stimulated will vibrate and produce sound. 声波的产生和传播 The generation and propagation of sound waves 一、声波的产生 [实验演示] 1、敲击图二所示的音叉。 现象：音叉发声且旁边的乒乓球震动。 2、拨动琴弦。 现象：琴弦振动且发出优美的声音。[体验感悟] 物体振动，发出声音。 [总结归纳] 1、物体受到击打或激发就会产生振动。 2、任何声音都是物体振动产生的现象。[质疑思考] 是不是只要有振动就有声音？ The propagation of sound waves. 图三 Sound waves can`t propagate through the vacuum. What can the sound waves propagate through? 二、声波的传播 [实验演示] 1、把闹铃放在玻璃罩中，逐渐抽出其中空气。（图三） 2、将空气逐渐回放到放有闹铃的玻璃罩。 现象：1、抽出玻璃罩中的空气，声音消失。 2、回放空气，声音复原。 [体验感悟] 声音在真空中无法传播。 [现象解析] 因为真空中没有物质粒子，振动物体无法在真空中产生声音。 [质疑思考] 真空中不能传播声音，那么声音靠什么传播。 [活动探索] 情景1：日常生活中人与人的交谈。 现象：人们能彼此听到对方的声音。 解析：空气中存在气体分子。 推论：气体可以传播声音。
人耳的辨向能力分析 棕北中学张心怡 摘要本文分析了人耳辨向的几种解释，以及这些解释的不足，提出了人耳具有方向追踪能力的假设及实现原理，合理地解释了人耳的辨向能力。 1．引言 人耳是我们的重要器官，它能够让我们领略自然界的不同声音，感受这丰富多彩的有声世界。借助双耳，我们可以分辨语音，进行语言交流；可以根据发声体发出的声音，辨别发声体的远近、方向，甚至发声体的大小、材质等特征。关于人耳对声音的接收、辨识处理的机理，人类进行了不懈的探索，同时也创造出很多仪器或装置（如录音机，助听器等），部分替代或弥补人耳的功能，但是人耳对声音的接收、转换、处理过程及机理仍然有很多未解之谜，等待我们去破解。 2．人耳辨向机理 人耳没有眼睛那样的转动能力，但人耳对声源具有方向分辨能力，我们不但可以分辨声音来自空间哪个方向，我们还可以“竖起耳朵”专注倾听某个方向的声音。那么，人耳是如何实现这样的能力的呢？ 2．1 双耳效应 英国物理学家瑞利于1896年通过实验发现人的两只耳朵对同一声源的直达声具有时间差（0.44-0.5微秒）、声强差及相位差，而人耳的听觉灵敏度可根据这些微小的差别准确判断声音的方向、确定声源的位置，但依据时间差，只能局限于确定声源到我们的直线距离，不能解决三维空间声源的定位。
如图1，同一声源，如果在以双耳连线为轴线的同一圆周上移动，在上下前后位置处，声源在双耳形成的时间差、声强差等是一样的，仅仅根据时间差、声强差，我们只能确定声源到我们的直线距离，无法分辨声音来自上、下、前或后，但事实上我们是能够分辨的。 图1 2.2 耳廓效应 人的耳廓对声波的反射以及对空间声源的定向有重要的定向作用。借此效应，可判定声源的三维位置。 虽然耳廓对上下左右不同方向声音的收集效果不一样，但即使我们能够根据两耳间细微的声强差异，再配合时间差，区分声源的三维空间位置，但无法解释我们的主动指向某一方向，有方向选择性的倾听的能力。 2.3 人耳的频率滤波效应 人耳的声音定位机制与声音频率有关，对20-200赫的低音靠相位差定位，对300-4000赫的中音靠声强差定位，对高音则靠时间差定位。据此原理可分析出重放声音中的语言、乐音的差别，经不同的处理而增加环绕感。
我们生活的世界里充满了各种声音，声音无时不有，无处不在，声音是我们了解周围事物、获取信息的主要渠道之一。下图中的声音依次是如何产生的：_________________；__________________； ______________________。 【答案】翅膀振动；鼓面、锣面振动；腹部的鸣管振动 一、声波的产生 1、一切发声的物体都在___________。振动停止，_________也停止。 2、声源：_________________的物体，包括____________、________________。例如：橡皮筋用力拉没有声音，轻轻拨动却有声音；直尺用力弯曲没有声音，拨动拍打有声音；桌面用力按用力压没有声音，敲击拍打有声音。 3、科幻电影中能看到飞船在太空爆炸的惊悚画面，但却听不到爆炸的声音，这是因为___________________。 【答案】1、振动；发声2、一切正在发声；正在振动的声带、正在振动的音叉等 3、声音不能在真空中传播 二、声音在介质中的传播 知识梳理 声波的产生和传播
1、声音是以波的形式在介质中由近及远地传播开去，可以和水波 类比来认识声波。 2、声音传播的快慢用声速表示，它的大小等于声音在每秒内传播 的________，声音在介质中的传播速度跟温度有关，空气中温度低， 声速就小。声音在15℃的空气中的传播速度为__________。 3、声音在不同的介质中的传播速度不同。一般是________中最慢，液体中较快， ________中最快。古代行军宿营，士兵常头枕牛皮制的箭筒睡在地上，能听到 夜袭敌人的马蹄声，现代人们常把耳朵贴在铁轨上，能及早听到远处传来的火 车的声音，这是因为_______________________。 4、听到声音的必要条件：__________________________；__________________________； ________________________。 5、听录音机里自己的声音感觉不像自己的声音的原因：__________________________________ ____________________________________________________________。 【答案】2、距离；340m/s3、气体；固体；声音在固体中传播速度较快 4、声源在振动发声；有传播声音的介质，如空气；听觉器官完好 5、我们讲话时，声带的振动往往经过牙床、上下颌骨等骨头，传入内耳，引起听觉（骨传导）。但这跟接 收从空气穿来的声波的感觉并非完全一样 三、声音的利用 1、声音不仅具有能量，还能_____________。 2、回声：声波在传播过程中一部分声波遇到障碍物被反射回来的现象。不同的障碍物表面对声音的反射和 吸收能力不同。通常______________的表面反射声波的能力强，_______________的表面吸收声波的的能力强。声源距离障碍物的距离s=1/2s总=1/2vt总。 3、如果人的耳朵要将回声与原声区分开来，必须满足：传入人耳的原声与回声时间相差_______秒以上， 人距障碍物不得小于________米。否则，回声与原声混在一起使原声加强。 【答案】1、传递信息2、坚硬光滑；松软多孔3、0.1；17 四、探究实验
目录 摘要 (2) 引言 (3) 1.超声波的基本原理及传播特点 (4) 1.1什么是超声波 (4) 1.2超声波的基本原理 (4) 1.2.1压电效应及脉冲超声波的产生 (4) 1.2．2超声波波形 (5) 1.3超声波传播的特点 (6) 2.超声波的应用 (6) 2.1超声波在制浆造纸中的应用 (7) 2.2超声波传感器 (8) 2.3超声波测距 (9) 2.4超声波在医学诊断中的应用 (10) 2.5超声波在生物技术领域的应用 (11) 2.5.1用于培养液及药物的雾化 (11) 2.5.2提高种子发芽率和遗传物质的转化率 (11) 2.6超声波在军事中的应用 (11) 3. 结束语 (12) 参考文献 (12) 致谢 (13)
摘要 超声波是一种高能机械波，本文通过介绍超声波的产生机制和基本原理。让读者更深层次的认识超声波，文中根据超声波的自身特点从超声波传感器、超声波测距、及超声波在纸浆造纸中、医学诊断中、生物技术领域中、军事中的应用这六个方面进行详细讲述。超声波是一门年轻的学科，随着超声研究技术的不断成熟，未来将会更好的应用在生产生活中。 关键词：超声波；传感器；测距；医学诊断 Abstract Ultrasonic is a kind of high-energy mechanical wave, this paper introduces the basic principle of ultrasonic generation mechanism and give readers a deeper understanding of ultrasound, in this paper, according to the characteristics of ultrasonic sensors, ultrasonic distance measurement, and ultrasonic in pulp papermaking, medical diagnosis, in the field of biotechnology, the application of the military in these six aspects in detail. Ultrasonic is a young discipline, with the ultrasonic technology matures, the future will be better application in the production and living. Key words: ultrasonic ；the sensor ；ranging; medical diagnosis 引言 超声波最早被人类发现是在1793年由意大利科学家斯帕拉捷在蝙蝠身上发现其存在，随后的30多年里人们进行了有关超声波的产生机理方面的大量研究，直到1830年F ·Savar 用齿轮产生4104.2 HZ 的超声，首次实现了人类在人工控制下超声波的产生，开启了超声历史的新纪元，其他新技术如压电效应与逆压电效应的发现大大推动了超声波的快速发展，在随后的60年间，世界各地区有关超声技术的研究不断的取得突破性成果，20世纪的40年代超声技术开始应用于临床医疗方面，这也同样推动了人类医疗事业的发展，有关超声波在医学方面的应用与研究取得突破性进展，国际间也有过许多的交流与合作，共同推动了超声科技的发展和进步。我国在超声方面的研究相对落后于国际主流国家，我国由于当时特别的时期和特别的情况，20世纪60年代才开始超声方面的研究，有关超声学的相关研究始于也在这个时期真正开始，并且在随后的几年发展中取得了许多重要成果和重要的应用，如金属探伤、种子的培育、印染等。在基础研究方面也取得了重要进展，如研制出有关超声波在固体中衰减所用的检测设备，进行了有关超声乳化等课题的研究，研制出分子声学试验等设备，表面换能器的相关研究在1960年左右开始。改革开放的新时期，超声技术开始了实际应用之路，并且在该领域的一些列成果开始走进我们的生
1．人耳能听到鼓面被敲击后发出的声音，而听不到手臂上下挥动发出的声音，这是因为( )。 A．人手臂上下挥动的频率太低B．人手臂上下挥动的振幅太小 C．人手臂上下挥动不是振动D．人手臂不是发声的物体 2．假如跟你家一墙之隔的邻居经常放音响或引吭高歌，为了减少这些声音对你学习、休息的影响，下列采取的方法没有用的是( )。 A．将门、窗关紧B．用棉花塞住耳朵 C．将门、窗打开，让空气加快流动D．将门、窗关上后再把棉毯挂在窗上 3．形成听觉的正确路径为( )。 A．声波→耳→听神经→听觉中枢B．声波→外耳→中耳→内耳 C．声波→外耳→中耳→耳蜗D．声波→鼓膜→听小骨→耳蜗 4．患中耳炎很可能导致耳聋，其原因是( )。 A．听觉感受器受损伤B．听神经受伤C．鼓膜和听小骨受伤D．大脑皮层听觉中枢损伤5．大剧场的四周墙壁要修得凹凸不平，目的是( )。 A．增强声音的反射B．减弱声音的反射C．为了装饰剧场，美观漂亮D．为了增大音量6．声音从水中发出，再经空气传入人耳，在此过程中一定不变的是( )。 A．响度B．音色C．音调D．不能判断 7．耳的结构中，能接受声波并转化为振动的是（） A、耳廓 B、鼓膜 C、听小骨 D、耳道 8．下列属于内耳结构的是（）A．鼓膜 B.鼓室C．听小骨D．耳蜗 9．放爆竹和礼花时，若你在一旁观看，最好张开嘴或捂住耳朵、闭上嘴。这种做法主要是为了（）A．保护耳蜗内的听觉感受器B．保持鼓膜内外气压平衡 C．使咽鼓管张开，保护听小骨D．防止听觉中枢受损伤 10．发生晕车、晕船等症状，其原因是（） A、由于睡眠不足引起 B、小脑调节平衡的能力弱 C、躯体感觉中枢受到了过强的刺激 D、前庭和半规管受到过强或长时间的刺激 11．人的听觉形成于（） A、耳蜗 B、听觉感受器 C、听神经 D、脑部听觉中枢 12．先轻敲一下大钟，然后再用力敲一下大钟，两次听到大钟发出的声音（） A、音调改变了 B、响度改变了 C、音色改变了 D、声音传播的速度改变了 13．男同学一般总是比女同学发出的声音沉闷、浑厚，即音调一般比女同学的低。其原因是男学声带振动的频率与女同学的相比（） A、较低 B、较高 C、一样 D、时高时低 14．2007年5月17日，“中华情?和谐海西”大型文艺晚会在闽江公园盛装上演。观众能区别出不同乐器发出的声音，主要是根据它们发出的声音有不同的 A．响度 B．音色 C音调 D．三者皆有 二、填空题 1．乐音的三个基本特征为__________、__________和__________。 2．声音是发声体________而产生的。钢琴、吉它、笛子等乐器发出的声音，即使音调、响度都相同。也可以从它们的__________分钟。 3．女同学说话的声音“尖细”，是指女同学声音的__________高，这是因为同学说话的声带振动比较__________的缘故。 4．减少噪声的途径有__________、__________、__________。
人耳得听觉特征 1、振动产生声波,声波传播至耳,耳膜受到声压变化刺激听觉神经听觉神经传入大脑中枢,形成声音得存在感觉。声音得传播过程(自然状态):当一个物体受外力作用时,产生一个往复得弹性振动,这样就产生了声波,经过介质(物体、空间或水)向四面八方传播。当人耳接受声波得振动,通过听觉神经传达给大脑。 2、声音得产生就是物理现象,人对声音得感觉就是生理、心理活动。 ①构成人耳听觉特性得要素 构成声音产生与存在得客观因素就是:振幅、频率、谐波 构成人耳对声音得听觉特性得要素就是:响度、音调、音色 ⑴响度:就是人耳对声音强弱得感觉程度。它首先决定于声音得振幅,其次就是频率。声学中把描述响度、振幅、频率之间得关系曲线叫等响度曲线。单位:分贝(dB) 与振幅得关系:a、声压级越高,人耳感觉声音响度越大b、人耳得声压范围就是:0——120 dB 与频率得关系:a、4—5KHz附近得声音最响,因外耳道与其产生共鸣b、低声压时,低频区得音响度大于高频音得响度c、常见声源得声压级dB λ窃窃私语:20——35 女高音:35——105 男λ高音:40——95 λ小提琴:40——100 交响乐:80 dB 小鼓:55——105 打雷:120λ dB λ教师讲话:50——60 飞机起飞(3m处):140 dB ⑵音调(音高):就是人耳对声音高低得感觉,其变化主要取决于声音频率得对数值,其次就是取决于声音得振幅。 频率越高,人耳感觉得音调随之升高,频率增加一倍,声学中称之增加一个“倍频程”,音乐
上叫“提高一个八度”。音调单位:美(mei)音调与频率得关系: a、人耳听觉得频率范围:20Hz——20KHz,其中700——3000Hz为最灵敏区 b、语言得频率范围范围就是100——10 KHz 音乐得频率范围就是50——15 KHz 音调与声压(振幅)得关系: a、1K——2 KHz 以上得高音区,声压增大感觉音调提升 b、500 Hz以下得声音,声压增大,感觉声音低沉,音调下降 ⑶音色(音品):指声音得音调与响度以外得音质差异。它与声音得频谱结构、包络与波形有关。发音体得泛音结构不同频率特性曲线、种类不同造成音色结构得不同。 声音得物理特性 声音得构成及关系 客观:振幅(大、小);频率(快、慢);谐波 主观:响度;音调(音高);音色(音品) 振幅:声波得振动幅度,它得大小影响人耳对声音强弱得感觉强度(即响度)单位:分贝(dB) 频率:声波每秒钟振动得次数。它直接影响人耳对声音高低(音调)得感觉。单位:赫兹(Hz) 谐波:指声波得波形。包括瞬间状态。它直接影响人们对声音音质差异(音色)得感觉。(如乐器不同,相同得“i”听觉则不相同。) 声音得传播 ⑴直达声:就是室内任一点直接接收到声源发出得声音。 它就是接收声音得主体,又叫主达声,不受空间界面影响,其声强基本上就是与听点到声源间距离得平方成反比衰减。 ⑵早期反射声:指延迟直达声50ms以内到达听声点得反射声,对声音起到增强作用;在大空间内,因反射距离远,易形成回声,产生空间感。
声波的产生与传播及其特性 要点一、声波的产生和传播 1.声波：发声体的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。 2.声源：正在发声的物体叫做声源。 3.介质：能够传播声音的物质叫做介质，气体、液体、固体都是介质。 要点诠释： 1、声波实际是声源振动的信息和能量通过周围的物质（通常叫介质）传播开去。声波无法在真空中传播，这是由于真空中没有可以传播振动的物质，不能形成疏密状的声波。 2、声音是由物体的振动产生的。振动停止，发声也停止，但是不能说振动停止，声音也消失。因为振动停止，只是不再发声，但是原来所发出的声音还在继续向外传播并存在。 3.声音的传播需要介质，真空不能传声。 类型一、声音的产生 例题： 1.如图所示小华将正在发声的音叉触及面颊，而不直接观察音叉是否振动的原因是___________。当小华用手捂住正在发声的音叉后，小华___________（填“能”、或“不能”）听到音叉发出的声音，这是因为______________________。 举一反三： 1.如图所示，当敲响的音叉接触悬挂的小球时，音叉能把小球弹开。该 实验证明了声音是由于物体产生。 2.下列哪一种情况声音不能传播（）
A ．在空气中 B.在水中 C.在地面以下 D.在太空中 3.下列现象中说明声音产生原因的是（ ） A ． 敲击音叉发声，与音叉接触着的乒乓球被弹开 B ． 敲击一下长铁管的一端，在另一端的人先后听到两次打击声 C ． 敲击打击乐器，发出不同的声音 D ． 敲击水中的石块，岸上的人也能听到敲击声 4.下列关于声现象的说法中，错误的是（ ） A ．真空不能传声 B ．15℃时空气中的声速是340m/s C ．声音在固体中比在空气中传播得慢 D ．喇叭发音时，放在纸盆上的纸屑在上下跳动，说明振动发声 5.在敲响大古钟时发现，停止了对大钟的撞击后，大钟“余音不止”，其原因是（ ） A ． 人的听觉发生“延长” B ． 是大钟的回声 C ． 大钟仍在振动 D ． 大钟虽停振动，但空气仍在振动 要点二、声速 回声 1.声速：声音在每秒内传播的距离叫声速，单位m/s,读作米每秒。15℃时空气中的声速是340m/s ，平 常我们讲的声速，指的就是此值。 2.影响声速的因素：（1）介质的种类，一般情况下v 固＞v 液＞v 气； （2）温度，同种介质，温度越高，声速越大。 3、回声：声波在传播过程中遇到大的障碍物一部分被反射回来，便形成回声。 4、回声测距：测出从发声到接受到回声的时间，知道了声速利用公式2 t s v ，可以算
§1.1声音的产生与传播 学习目标: 1．知道声音是由物体振动发生的。 2．知道声音传播需要介质，声音在不同介质中传播的速度不同，知道声音在空气中的传播速度。 3．知道回声现象和回声测距离。 重点 声音发生和传播 难点: 回声测距离 一．重难点知识梳理： 1.声源：______________________。 正在发声的物体。 2.声音的发生：由物体的而产生。停止，发声也停止。 振动，振动 3.声音的传播：声音靠传播。不能传声。通常我们听到的声音是靠传来的。 介质，真空，空气 4.声音速度：在空气中传播速度是：。 340米/秒 5.声音在传播比液体快，而在液体中传播又比快。 固体，气体 6.人听到声音的条件： A.__________________________. B._____________________________ 。 C.______________ ________. D._________________________ A：有声源发出声音B：有传播声音的介质C：达到一定的强度 D：在一定的频率范围内 7.人耳的结构，着重讲清楚鼓膜（形成起振）、听小骨（放大震动）、听神经（传播声 刺激产生的神经冲动）、听觉中枢（形成听觉）这些部分的功能。 8.骨传导：人的头骨、颌骨等可接受声音刺激形成神经兴奋，并可把这些兴奋传递到 听觉中枢形成听觉。 9.回声 a.声波在传播过程中遇到障碍物时，一部分声波被反射回来，这就是____。 b.坚硬光滑的表面反射声波的能力____，松软多孔的表面吸收声波的能力____。 c.人耳能区分的最小声音间隔时间为____。 d.利用回声可以________。 a.回声； b. 强、强； c. 0.1s； d. 测距离 二．考点方法与技巧归纳 1.声音的产生与传播 例1.如图甲所示，用竖直悬挂的泡沫塑料球接触发声的音叉时，泡沫塑料球被弹起，这个现象说明___________________；如图乙所示，敲击右边的音叉，左边完全相同的音叉把泡沫塑料球弹起，这个现象说明_____________________________。
2．1 超声波的定义 波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz ，超声波是频率大于20KHz 的机械波。 在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。 2．2超声波的物理特性 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L 为入射波，S ?为反射横波，L ?为反射纵波，L ?为折射纵波，S ?为折射横波。 L 图2．1超声波的反射、折射及其波形转换 这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。 因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为： ()cos()A A x t kx ω=+ （2.1） 0()ax A x A e -= （2.2） 式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。衰减系数与声波所在介质和频率关系： 2af α= （2.3）
式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。 2．2．1超声波的衰减 从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面： (1) 由声速扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。 (2) 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。 (3) 由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。 扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： 22222238211()3v P f f K C C C C πηπβρρ=++ (2.4) 式中：K ：热传导系数 f ：超声波频率 η：动力粘滞系数 C ：超声波传播速度 v C ：定容比热 p C ：定压比热 ρ：传播介质密度 式(2．4)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示： 223 83f C πηβρ= （2.5） 把C = 2.5）可得： 3223 322283()M f R T β πηργ=?? (2.6) 由式(2．6)可知：温度一定时，η、 ρ、T 均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。在实际应用
四．声波的产生和传播（B） 1．2008年5月12日14时28分，我国四川省汶川县发生里氏8.0级特大地震，振动波及半个中国！灾情发生后，天翔迅速上网搜索了一些关于地震的知识：地震的频率范围大约是1HZ～100HZ；在传播途中振动的幅度逐渐衰减，而且频率越高衰减得越快。请结合这些信息在下列说法中选出错误的一项（）A．5月12日14时28分，恩施州全境也产生了强烈震感 B．发生地震时，释放出巨大的能量 C．在汶川，人们可以听见地震时发出的声音，音调比较低沉 D．在距离汶川较远的地方，人们可能感受到了震动，但可能听不到声3．小孩用嘴巴把一个气球吹大，由于小孩用力太大，气球被吹破了，发出“嘭”的响声，这响声是由于（） A.球皮被吹大时振动发出的响声 B.吹气时球内空气振动发出的响声 C.破裂时球皮振动发出的响声 D.球皮破裂时引起周围空气振动发出的响声 5．你面向一高墙喊话，如果听到回声，那么你和高墙之间的距离至少为：（） A．大于34m B．大于17m C．等于17m D．等于34m 6．天坛公园的回音壁是我国建筑历史上的一大奇迹，回音壁应 用的声学原理是下面的（） A．声音的反射B．声音在墙壁中的传播 C．声音在空气中的传播D．利用回声增强原声的现象 9．在图所示，小明与小刚用细棉线连接了两个纸杯，制成了一个“土 电话”。 (1)他们用“土电话”能实现l0m间的通话，这表明。 (2)相距同样远，讲话者以同样的响度讲话，如果改用细金属丝连接土电话，则听到的声音就大些。这一实验现象表明。(3)如果在用土电话时，另一个同学用手捏住线上的某一部分，则的一方就听不到声音了，这是由于。 (4)如果在用土电话时，线没有拉直而处于松驰状态，则听的一方通过棉线 （选填“能”或“不能”）听到对方的讲话声。 5.如图所示，当敲响右边的音叉时，左边完全相同的音叉 ________(填“会”或“不会”)振动，靠在左边音叉的小球能 弹起.这说明________，这是由于________ 将右边音叉的振动 传给了左边音叉的缘故. 8.在课堂上老师提出一个问题“声音怎样从发声的物体传播到远处”小明和小刚进过讨论；提出一个猜想“声音传播出去，可能需要什么东西来作媒介”，为了验证这个猜想，他们设计了如下的试验： 1把两张课桌紧紧地挨在一起，小明轻敲桌面，小刚把耳朵贴在另一张桌上，他________听见小明轻敲桌面的声音。（选填“能”或“不能”） 2.两张桌子，离开一个小缝，小刚________ 听见小明轻敲桌面的声音。有此，他们的到了结论：。
噪声源总是体现在一定的空间中，因此必须研究声音在空间中传播的特性，包括声波传播过程中的衰弱、反射、折射、绕射和干涉等现象。传播声波的空间称为声场，声场分自由声场、扩散声场和半自由声场。自由声场是一种理想化的声场，严格地说在自然界中不存在这种声场，但是我们可以近似地将空旷的野外看成是自由声场。在声学研究中为了克服反射声和防止外来环境噪音的干扰，专门创造一种自由声场的环境，它可以用做听力实验，检验各种机器产品的噪音，测量声源的声功率，校准一些电声设备等。扩散声场与自由声场完全相反。在扩散声场中，声波接近全反射的状态。例如，在室内，人听到的声音除来自声源的直达声外，还有来自室内各表面的反射声。如果室内各表面非常光滑，声波传到壁面上会完全反射回来。如果室内各处的声压几乎相等，声能密度也处处均匀相等，那么这样的声场就叫做扩散声场(混响声场)。在声学研究中，可以专门创建具有扩散声场特性的房间，即混响室。它可用来测试声源的声功率和做不同混响时间下语言清晰度试验等。在实际生活中，遇到最多的情况，既不是完全的自由声场，也不是完全的混响声场，而是介于二者之间的半自由声场。根据环境吸声能力的不同，有些半自由声场接近自由声场一些，有的更接近扩散声场。粘贴了隔声吸声棉的车体，由于异型吸音槽对车辆噪音的高效抑制，可以有效改善驾驶室的声场。 声源发出的噪音在媒介中传播时，其声压或声强将随着传播距离的增加而逐渐衰减。高频声波比低频声波衰减得快，当传播距离较大时其衰减值是很大的，因此高频声波是传不远的。从远距离传来的强噪音如飞机声、炮声等都是比较低沉的，这就是在长距离的传播过程中高频成份衰减得较快的缘故。除了空气能吸收声波外，一些材料例如玻璃、毛毯、泡沫塑料等也会吸收声音，称为吸声材料。当声波通过这些多孔性吸声材料时，由于材料本身的内摩擦和材料小孔中的空气与孔壁间的摩擦，使声波能量受到很大的吸收并衰减，这种吸声材料能有效地吸收入射到它上面的声能。 噪音声波在传播过程中经常会遇到障碍物，这时声波将从一个媒质(空气)入射到另一媒质中去。由于这两种媒质的声学性质不同，一部份声波从障碍物表面上反射回去，而另一部份声波则透射到障碍物里面去。利用介质不同的特性阻抗，可以达到减噪目的。例如，在室外测量噪音时，坚硬的地面、公路和建筑物表面都是反射面，如果在反射面上铺以吸声材料，那么反射的声能将减少。由于声波的反射特性，在室内产生的某一噪音会从墙面、地面、天
管道中的声传播 5.1 均匀的有限长管道 设有一平面声波在一根有限长的、截面积均匀的管子中传播，管的截面积为S 。如果管子末端有 一任意声学负载，它的表面法向声阻抗为Z a ( 或法向声阻抗率为) ，一船应是复数，由声 阻R a 与声抗X a ( 或声阻率R s 与声抗率X s ) 组成，即 ( 或) 。由于管端有声负载，一部分声波要受到反射，一部分声波要被负载所吸收。因此，管中的原始平面行波声场就要受到负载的影响。 ? 5.1.1 有限长管道声场 ? 5.1.2 声负载吸声系数 ? 5.1.3 共振吸声结构 5.1.1 有限长管道声场 为了处理方便，我们把坐标原点取在管末端的负载处，如图( 5-1-1 ) 所示。设入射波与反射波的形式分别为 ( 5-1-1 ) ( 5-1-2 ) 图( 5-1-1 ) 反射波的产生是由管端的声学负载引起的，它同入射波之间不仅大小不同，而且还可能存在相位差，一般可表示为 ( 5-1-3 )
这里称为声压的反射系数, 表示它的绝对值，表示反射波与入射波在界面处的相位差。把( 5-1-1 ) 和(5-1-2) 两式相加就得到管中的总声压 ( 5-1-4 ) 其中 ( 5-1-5 ) 为总声压振幅，为引入的一个固定相位，它对声场的能量大小没有影响，这里就不予讨论。分析 ( 5-1-5 ) 式可以发现，当时，总声压有极小值， 当？时，总声压有极大值。我们用G 来表示声压极大值与极小值的比值，称为驻波比，可得 ( 5-1-6 ) 或写成如下形式 ( 5-1-7 ) 假设末端的声负载是全吸声体，把入射声波全部吸掉，则有，或。这时管中只存在 入射的平面波，驻波比。如果声负载是一刚性反射面，把入射声波全部反射，则， 于是有，这时管中出现了纯粹的驻波( 我们曾经称它为定波) ，即驻波 比。对于一般负载驻波比G 介于之间。( 5-1-7 ) 式把G 与反射系数？？联系起来，这就启示我们，可以通过对驻波比的测量来确定声负载的声压反射系数。从此又可求得负载的声能透
第一章声波的传播特性及听觉特性 第一节声波的传播特性 声波是由物体振动产生的，当振动在一定的频率和强度范围内时，人耳就可听到。振动发声的物体称为声源，有声波传播的空间称为声场。当声源在空气中发声时，媒质质点在平衡位置附近作往复振动，媒质中振动着的质点的位移会作用到相邻质点，使后者也产生振动，于是，振动形成波动，在空间传播开来，在声源周围形成疏密交替的空气压力波，称为声波。声波在150C时，大约以340m/s的速度由声源向外传播。气体中的声波属于纵波，即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上。 在传播过程中不受反射而向前行进的声波，称为行波。在某一时刻，空间行波相位相同各点的轨迹曲面称为波阵面，也称为波前。波阵面为平面的声波称为平面声波。 尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球面扩展的，波阵面为球面，称为球面声波。这种声源称为点声源。现实中的声源，即使具有一定尺寸，但在距离与声源尺寸相比充分远时，也可将它看作点声源，在这样的距离处得到球面声波。当距离远到一定程度时，波阵面即与平面声波的波阵面相接近，可看作平面声波。 声能从声源沿波阵面的法线方向传播的路径称为声线，在各向同性的媒质中，声线是代表声波的传播方向。例如球面声波的声线就是球面的半径线。 声波的瞬时状态可用声压、媒质质点振速和媒质密度中的任何一个来描述。 （1）声压：有声波存在时，在静态大气压强上叠加的变化分量称为声压。 （2）质点振速：有声波存在时，媒质质点的振动速度。单位为m/s。 （3）媒质密度：单位体积内的媒质质量称为媒质密度。有声波存在时，媒质密度要产生稠密稀疏的变化。单位为kg/m3。 一、声波的反射 声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波波长的坚硬界面，会产生反射。声波从界面反射的角度与声波入射到界面的角度相等，即反射角等于入射角。反射的声波如同从界面后面与声源相对应位置处发射出来的一样，即如同在该位置处有一声源，称为虚声源，也称为镜像声源，它与界面的距离等于声源与界面的距离，如图1-1所示。 图1-1 声波的反射 当声源在一个凹界面前，声波会产生聚焦，如图1-2所示。对于播音室来说，为了声音良好扩散，应避免凹界面。
声波的传播特性 声源的方向性：虽然不同声源的辐射方向图形不同，但大部分声源符合下列规律：当辐射出来的声波波长比声源的尺寸大很多倍时，声波比较均匀地向各方向传播；当辐射出来的声波波长小于声源的尺寸时，声波集中地向正前方一个尖锐的圆锥体的范围内传播。例如我们讲话时，语音中的低频部分，由于其波长比声源的尺寸大得多，所以能绕着人的头部而向各个方向均匀地传播；而语音中的高频部分仅由发言者的嘴部向前直射。因此，当我们站在讲话者的背后时，听到的声音中的高频分量会有下降，常常感到听不清楚。 声波的反射和折射：当我们向河中投一小石块时，将会激起水波。此水波向四面传播，遇到河岸时，水波就会被反射回来。与其相似，在空气中传播的声波遇到长和宽都比声波波长大的坚硬障碍物（如平面墙），也会产生反射现象。其反射情况遵从反射定律。反射定律是：入射声线、反射声线，法线（在入射点作垂直该表面的垂直线）在同一平面上；入射声线、反射声线分居法线两侧；入射角（入射声线与法线的夹角）等于反射角（反射声与法线的夹角）。根据声波反射定律，在室内扩声时，如果天花板或墙面为凹面，会产生声聚焦现象，使声场分布有均匀，在聚集点附近放置传声器最容易出现声反馈，引起啸叫声。如果天花板或墙面形成凸面，则会将反射声扩散开来，使室内声场分布趋于均匀，有利于室内各座位上的听音要求。许多大型演播室、剧场的墙面分隔成一些柱形面，天花板做成拱形面，都是为了扩散反射声，以获得均匀的声场。 当声波遇到障碍物时，除了反射声波外，还有一部分声波将进入障碍物。进入声波的多少与障碍物的特性有关。如果传播路径中遇到的是坚硬障碍物，则大部分声音能量就会被反射回来，小部分声音能量被障碍物吸收掉；如果传播路径中遇到的是松软多孔障碍物，那么，大部分声波会被吸收，小部分声波被反射。由于此时声波从一种媒质进入到另一种媒质，其传播方向发生变化，我们把这种现象称为折射。 声波的绕射（衍射）和散射：我们仍以河面上的水波为例。当水面上有障碍物时，水波的传播发生了变化。当障碍物比较小时，水波可以绕过障碍物继续传播。当障碍物较大时，在障碍物背后的边缘附近没有水波，而其余部分仍有水波传播，我们称这类现象为绕射（衍射）。 声波遇到障碍物时也存在绕射现象。若障碍物的尺寸一声波波长相近时，声波像没有遇到障碍物一样继续传播。若障碍物的尺寸比声波波长大很多时，声波则会在障碍物的边缘产手子波，子波的频率与原声波相同，但幅度较小，并且继续向障碍物的阴影区传播。室内扩声，场地较大，听众座位平排水平放置，坐在后面各排的听众会听不见舞台音箱的直达声，只能听见前面排座上人头边传来的衍射声和天花板、墙面传来的反射声，声音既小又不清晰，这些区域叫声影区，这是建声的缺陷，扩声环境的听音多区应避免声影区的存在。 声波在传播过程中，如果遇到障碍物产生的绕射是无规则时则称为散射现象。如果遇到一厘米左右尺寸的障碍物时，那么，无论频率多高的声波，大部分都能绕过它而继续向前传播。 与上述现象相对照，当声波通过障碍物的洞孔时，也会发生绕射现象。此时，洞口好像一个新的点声源。当声波的波长比洞口尺寸大很多时，经过洞口后的声波从洞口向各个方向传播。而频率较高的声波则具有较强的方向性，从洞口向前方传播。因此当室内有一声源时，声波将会遇到墙壁、家具等物体，而产生反射、绕射等现象，而且声波还会通过门、窗的缝隙处传到室外。 声波干涉：两个声波在同一介质中传播，若振幅相同、频率相等、相位差为零或恒定，则在空间某些地方合成振幅最大，在空间某些地方合成振幅为零，这种现象称为声波干涉。这会造成厅堂各处的声音并不是一样响，甚至于很小。声驻波：两列反向传播的声波在
语音信号处理
Speech Signal Processing
长春工业大学图像工程研究所 史东承教授
dcshi@https://www.doczj.com/doc/d45097905.html, 2010.8
第二章 语音信号的产生、特征 与人耳的听觉特性
§2.1 语音信号的产生
鼻腔 软腭 口腔 鼻子
嘴巴
气管 声带
人类发音器官示意图
发音器官：
产生语音的器官
1)肺和气管：能源与能量传输； 2)咽喉：振动源，包括声带和声门； 3)声道（声门到嘴唇的呼气通道）：谐振腔 (包括口腔、鼻腔等)； 4)其他发音器官：包括嘴唇、齿、舌、面颊 等，使谐振腔改变形状。
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发音机理
? 喉位于气管的上端，实际 上是气管末端一圈软骨构 成的一个框架，前方稍高 处的软骨称为甲状软骨， 前后方环成一圈的称为喉 部环形软骨，喉中两片肌 肉称为声带，声带之间的 空隙为声门。 ? 当声带张开时，声门打 开，空气可自由呼出，正 常呼吸就处于这种情况； 当声带闭合，声门关闭。
当说话时，声带在软骨的作用下相互靠 近但不完全闭合，声门变成一条窄缝，当气 流通过窄缝时压力减小，外界压力大，从而 两片声带完全闭合使得气流不能通过，当气 声带靠拢 流阻断时压力恢复正常，推开两片声带，声 门再次打开，气流再次流过。 声带的开启和闭合称 为振动。这一振动过程周 而复始，形成了一串周期 性脉冲气流送入声道。这 个过程发出的音称为浊音。 如汉语发音的[a]、[i]、 [u]和[o]等。
Tp 基音周期
男声发音“我的语音”的时域波形和语谱图
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声波的产生和传播 （一）学习要求 1.知道声音发生的条件 2.知道声音传播的条件 3.了解声波的传播原理 4.记住常温下声音在空气中传播的速度,并掌握相关的计算 5.知道回声的原理 6.了解耳的工作原理 （二）知识梳理 1. 人们通常把发出声音的物体叫做发声体,也称声源。一切发声体的共同特征是振动。振动是发声体的条件。振动停止，发声也停止。 2．声音要依靠物质传播，传播声音的物质叫媒质（介质），例如，空气、水、铁等，声音在真空中不能传播。 3．声音在空气中的传播跟振动在弹簧中的传播相类似。发声体振动时，紧贴物体表面的一层空气依次时而受到压缩变密集，时而相反地又变稀疏。也就是说，声源的振动在空气里的传播，是从振动物体表面上的空气疏密交替的振动开始的。 4．声源的振动在媒质中的传播，叫做声波。声波的本质，是能量的传播。 5. 声波的传播速度与媒质的性质和温度有关，声波在固体中传播的速度最大，液体其次，气体中传播速度最小。温度越低，声速越小。 6．声波在同一种媒质里是匀速向前传播的。当声波遇到障碍物时，会被反射回来，这就是回声。反射回来的声波要比原来的声波滞后0.1秒以上到达人耳，人们才能把它和原来的声音区分开来。
7．利用回声的原理，在生活中的应用有回声壁、倒相式音箱、声纳、音乐厅的建筑声学等等。 8．声音是人耳的一种感觉。 人能够感觉声音，主要是耳道底部鼓膜的振动通过三块听小骨传到耳蜗中，使耳蜗里的液体振动。这振动被听觉神经接受后传到大脑成了特定的声音信息。 作业 声波的产生和传播 声波的产生 一、填空题 1．正在发声的音叉，用手去摸它回有麻的感觉，这现象表明__________________________ ____________________________________________________。 2．在正在发声的扬声器的纸膜上，放一些泡沫塑料屑，发现泡沫塑料屑在上下跳动，这现象表明：__________________________________________________________________。 3.用手将敲响的小铃握紧时，响声马上消失，这是由于小铃____________的缘故。 4.大量实验表明物体发声时都在______________，一但停止______________，声音也就消失。通常把发出声音的物体叫做_______________。 5．将正在响着的电铃放在玻璃罩内，然后逐渐抽掉罩内的空气，这时铃声也逐渐_____________，最后几乎听不到；再让空气逐渐进入罩内，铃声又逐渐____________。这现象表明：声音在真空中____________传播，声音在空气中_______________传播。 6.振动的物体_____________发声，发声的物体_______________在振动。（均选填“一定”或“不一定”） 7.发声体的振动在_______________中的传播称之为声波。 8.乐器在演奏时都在相应的部位发生振动，管乐器是由_______________振动发出声音的，如_________、________；弦乐器是由___________振动发出声音的，如____________、___________；鼓是由____________振动发出声音的。 二、连线题 9.将下列动物和它们相应的发音器官连起来