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电声学基础知识（参考资料之一）《音频声学简介》（5页）《电声学名词及物理意义》（4页）深圳市美欧电子股份有限公司南京电声技术中心《音频声学简介》§１声波的概念右运动时，使空气层质点产生压缩，空气层的密度增加，压强增大，使空气层处于“稠密”状态；活塞向左运动时，则空气层质点膨胀，空气层的密度将减小，压强亦将减小，使空气层处于“稀疏”状态。
活塞不断地来回运动，将使空气层交替地产生疏密的变化。
由于空气分子之间的相互作用，这种交替的疏密状态，将由近及远地沿管子向右传播。
这种疏密状态的传播，就形成了声波。
§２描述声波的物理量一、声压大气静止时的压强即为大气压强。
当有声波存在时，局部空气产生稠密或稀疏。
在稠密的地方，压强将增加，在稀疏的地方压强将减小；这样，就在原有的大气压上又附加了一个压强的起伏。
这个压强的起伏是由于声波的作用而引起的，所以称它为声压；用p 表示。
声压的大小与物体（如前述的活塞）的振动状态有关；物体振动的振幅愈大、则压强的起伏也愈大，声压也就愈大。
然而，声压与大气压强相比，是及其微弱的。
存在声压的空间，称为声场。
声场中某一瞬时的声压值，称为瞬时声压)(t p 。
在一定的时间间隔中最大的瞬时声压值，称为峰值声压。
如果，声压随时间的变化是按简谐规律的，则峰值声压就是声压的振幅。
瞬时声压)(t p 对时间取方均根值，即⎰=Te dt t p Tp 02)(1 〔１〕称为声压的有效值或有效声压。
T 为取平均的时间间隔。
它可以是一个周期或比周期大得多的时间间隔。
一般我们用电子仪器所测得的声压值，就是声压的有效值；而人们习惯上所指的声压值，也是声压的有效值。
声压的大小，表示了声波的强弱。
目前国际上采用帕（a P ）作为声压的单位。
以往也用微巴作为单位，它们的换算关系为； １帕＝１牛顿/米² （MKS 制） １微巴＝１达因/厘米² CGS (制） １微巴＝０．１帕１大气压＝a P 5100325.1⨯ （常温下）为了对声压的大小数值，有一个感性的了解，在表一中列出了几种声源所发出的声音的声压的大小。
电声基础知识引言一、电声学的定义及扬声器技术发展的原因：1.定义：电声学(Electroacoustics)是研究声电相互转换的原理和技术以及声信号的储存、加工、测量和利用的学科，从频率范围来讲主要是可听频段，有的也涉及次声和超声频段。
电声的诞生是以贝尔和华生发明电话机，爱迪生发明留声机为标志的。
扬声器是一种电声器件，它的雏形最初是作为电话用的耳机而发明的。
在这一百多年间，扬声器有了不断的发展，成为目前能适应高保真重放所需要的产品。
2.扬声器技术发展原因：最近扬声器技术的发展，一方面是由于设计技术的发展，另一方面则是由于振膜、磁体、粘接剂等材料的发展。
因此，最近高保真扬声器在提高音质的同时，容许输入功率也大幅度地提高。
这是为了适应需要大声压的舞蹈音乐重放，在高保真扬声器方面的发展。
3.扬声器的物理特性与音质间的关系：有人认为，在高保真设备中，对音质起主要作用的是扬声器。
事实上，将扬声器切换后，音质会发生突然的变化。
此外，除去扬声器以外的其他部件优劣几乎都是由物理特性来判断的，但对扬声器都会有“物理特性好的音质并不好”的看法。
这是因为实际听到的音质：①是扬声器本身的特性和听音室的声学特性共同决定的；②对扬声器中细微差别的物理特性还不能被测量到；③对音质判断时，是依靠个人记忆来定出的，容易产生个人的差别。
判断扬声器的物理特性与音质间的关系，是从事扬声器研制、设计的技术人员多年研究的课题。
4.电声学与主观因素的关系：电声学是一门与人的主观因素密切相关的物理学科，原因是从声源到接收都摆脱不了人的主观因素。
声音是多维空间的问题（音调、音色、音长、声级、声源方位及噪声干扰等），每一维的变化都对听感有影响。
复杂的主观感受并不是任何仪表所能完全反映的，这必然联系到生理和心理声学，语言声学，甚至音乐声学等各个方面问题，形成了电声学的特色和它的复杂性。
5.发展趋势：社会的发展和生产的需要对电声学提出了大量的实际与理论问题。
第4节：电声学基础电声学是研究声电信号相互转换的原理和技术，以及电声信号的存储、加工、传递、测量和利用的科学。
它所涉及的频率范围很广泛，从极低频的次声一直延伸到几十亿赫的特超声。
不过通常所指的电声，都属于可听声范围。
电声技术的历史最早可以追溯到 19 世纪，由爱迪生发明留声机和贝尔发明用于电话机的碳粒传声器开始， 1881 年曾有人以两个碳粒传声器连接几对耳机，作了双通路的立体声传递表演。
大约在 1919 年第一次用电子管放大器和电磁式扬声器做了扩声实验。
目前人类正在全数字化的路上突飞猛进。
模拟音频基础：声音◆图片4-1 模拟音频信号处理流程模拟（Analogue）本意为“模仿”、“比拟”、“相似”、“类比”之意，模拟信号指的是在时间或幅度上连续变化的信号，把声音信号在模拟状态下存储、加工、传递、重放的技术称为模拟音频技术或者模拟音响技术，相应的设备称为模拟音频设备或者模拟音响设备，由模拟音频设备构成的系统叫做模拟音频系统或者模拟音频系统。
模拟音频信号传输时要注意电平匹配、阻抗匹配、以及连接方式的一致性（指平横传输和不平衡传输），即使产生一些偏差也不会造成很大的失真或者没声。
模拟音频的存储办法为直接模拟记录，比如将声音信号直接用磁场强弱模拟出来记录到磁带上。
即将时间轴上连续的声音变化用空间轴上磁带上连续的磁场强弱变化来模拟。
模拟音频的处理也是对模拟信号的直接处理。
模拟音频设备的设计和制造思路：采用电子元器件构成特定功能的模块式电路，对音频电信号进行直接处理。
模拟音频有如下特点：①、音频指标不高，比如动态范围低，信噪比不高，失真度较大。
②、主观听感较好，但随机读取能力差，一般只能顺序读取。
③、声音的加工处理设备昂贵，处理难度较大，且伴随处理指标下降。
④、记录存储难度大，成本高，且效率低⑤、检索、传输、利用不够方便快捷，共享性也比较差。
1877年爱迪生发明留声机，1898年丹麦科学家波尔森（V aldemar Poulsen）发明世界上最早的模拟磁性录音机。
电声学基础绪论⏹什么是声学？⏹产生——传播——接收——效应。
⏹研究范围•人类对声学现象的研究⏹我国，11世纪，沈括⏹西方，17世纪，索沃提出acoustique的名称。
如今，acoustics代表声学，音质。
⏹人们观察声学现象，研究其规律，几乎是从史前时期开始的。
•近代声学⏹伽利略（1564～1642）开创⏹1638年，“有关两种科学的对话”⏹林赛（R. Bruce Lindsay）在“声学的故事”中提到科学家79人⏹19世纪末，瑞利《声之理论》二卷（1000页）⏹20世纪开始，赛宾，建筑声学⏹1936年，莫尔斯《振动和声》一书，反映了声学基础理论的发展•古人的声学研究理论成果⏹关于声的知识和分类⏹“音”（即乐音）⏹“乐”⏹“噪”，“群呼烦扰也”⏹“响”，“响之应声”⏹乐律⏹在《管子》中首先出现，理论是“三分损益法”。
⏹十二律是十二个标准音调，实际上基本的标准音调只有一个，即黄钟，《史记》：“黄钟（管）长八寸一分”，或提：长九寸。
三分损益十二律⏹欧洲乐律起源：毕达哥拉斯（Pythagoras），公元前六世纪⏹1584年，明代王子朱载堉完成《律学新说》，详细提出十二平均律理论⏹荷兰人斯蒂文（Simon Stevin），⏹共振、回声、混响⏹“应”⏹“鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣”⏹11世纪，沈括，“共振指示器”⏹波动论⏹亚里士多德（Aristotle，公元前384～322年）⏹高度、强度、品质⏹空气运动的速度、被激动的空气量、发声器官的构造⏹频率⏹伽利略(Galileo Galilei)，单摆及弦的研究⏹声速⏹法国的梅尔新，加桑地⏹1687年，牛顿，《自然哲学的数学原理》⏹1816年，法国数学家拉普拉斯•电声学⏹20世纪20年代，电子管⏹1920年，美国肯尼迪（A. E. Kennedy）把类比概念和方法引入电声系统和机械振动系统⏹电声学这门科学主要是研究电能和声能彼此转变的问题。
各种换能器的构造和理论，录音和放音的各种方法，都是属于“电声学”的范畴。
•电声学与其他声学部门的关系⏹电声学和建筑声学、生理声学、超声学、水声学都有很密切的关系。
第一章振动和声波的特性1-1 振动与声波1-1-1 振动⏹什么是振动？P6⏹振动的特性1-1-2 声波⏹几个基本概念：⏹声波——物体的振动引起周围媒质质点由近及远的波动⏹声源——发声的物体，即引起声波的物体⏹媒质——传播声波的物质⏹声场——声波传播时所涉及的空间⏹声音——声源振动引起的声波传播到听觉器官所产生的感受⏹声线——声波传播时所沿的方向•结论⏹声波的产生应具备两个基本条件：物体的振动，传播振动的媒质⏹声波是一种机械波，媒质⏹传播的只是能量⏹气体中的声波是纵波，即疏密波•声波具有一般波动现象所共有的特征：反射、折射、衍射、干涉等声波的反射声波的全反射声波的折射波的衍射：惠更斯定律干涉与拍频⏹当一列有明显波长和振幅的正弦声波由左向右传播时，遇到另一列具有同样波长和振幅，却由右向左传播的声波，此时在任何一点观察所产生的效果，都要依据在不同时间两列波叠加的情况而定。
⏹“同相”（in phase），相长干涉（constructive interference）⏹“倒相”（out of phase），相消干涉（destructive interference）⏹“拍频”（beating）。
多普勒效应⏹当声源和听者彼此相对运动时，会感到某一频率确定的声音的音调发生变化，这种现象称为多普勒效应。
频率的变化量称为多普勒频移。
•声波的一些基本参数⏹波长⏹波数——即沿着声波传播方向上单位长度内的相位变化⏹声速——声波在媒质中每秒内传播的距离称为声速，用C表示，单位为m/s。
⏹空气中的声速等于⏹当温度为15°C时，声波在空气、水、钢、玻璃中的声速分别为340m/s，1450m/s，5100m/s，6000m/s⏹速度随着媒质密度增大而增加。
⏹声音的传播速度与媒质的密度、弹性和温度（变化1度，变化0.6m/s）有关，与声波的频率、强度和空气湿度无关。
⏹声速比光速慢得多，这对方位感的辨别起到了很重要的作用。
⏹必须把声速和振速严格区分开来预习：⏹声波的基本参量有哪些？各自的含义是什么？⏹平面波和球面波有哪些区别？1-2 声波的基本参量与波动方程⏹三个基本参量：⏹媒质密度、媒质质点振动速度、声压，它们都是位置与时间的函数⏹媒质密度ρ=ρ（x,y,z,t）⏹在没有声波时，媒质密度称为静态密度ρ0，⏹ρ是指该处媒质密度的瞬时值。
⏹媒质质点振动速度v⏹它是一个向量，反映微观质点振动，单位m/s⏹声压P⏹P=P（瞬态）－P0（静态）⏹是标量，单位Pa•三个声波方程式⏹声振动作为一个宏观的物理现象，必然要满足三个基本的物理定律，即牛顿第二定律、质量守恒定律及上述压强、温度与体积等状态参数关系的状态方程。
⏹为了使问题简化，必须对媒质及声波过程做出一些假设，P21•运用这些基本定理就可以分别推导出媒质的：⏹运动方程（牛顿第二定律的应用），即p与v之间的关系⏹状态（物态）方程（绝热压缩定律的应用），即p与ρ之间的关系⏹连续性方程（振动过程的统一性），即ρ与v之间的关系1-2-1 波动方程⏹由上述三个基本方程，可以导出声波传播方程，波动方程：⏹推导1-2-2 平面波球面波波阻抗率⏹平面波⏹什么是平面波？•方程推导⏹由于波阵面是平面，波阵面面积不再随传播距离而变化，即S不再是r的函数，讨论这种声波归结为求解一维声波方程：•方程式的解及分析⏹设方程式有下列形式的解：⏹代入一维声波方程，⏹得⏹其中⏹对于讨论声波向无限空间传播的情况，取成复数的解将更为适宜，即⏹假设没有反射，则B＝0，得讨论：⏹首先讨论任一瞬间时，位于任一位置处的波经过时间后位于何处？⏹任一时刻t0时，具有相同相位的质点φ0是一个平面•波（声）阻抗率Zs⏹媒质特性阻抗•球面波⏹什么是球面波？⏹当声波的波阵面为球面时，该声波称为球面波。
⏹一个点声源发出的声波为典型的球面波。
•方程推导：•柱面声波⏹什么是柱面声波？⏹若声源为长圆柱形，其长度远大于波长，则辐射的声波为圆柱面声波，此时S=2πrl，其中l为圆柱长度。
⏹方程推导：•平面波与球面波的区别⏹波阵面不同⏹平面波的幅度不变，球面波的幅度随距离增大而减小，在距离很大时，球面波近似于平面波⏹平面波声压与质点振速相位一致，而球面波不一致⏹平面波Zs为一常数，球面波Zs为一复数预习：⏹比较在相同声压时，水中和空气中的声强度？1-3 声波的特性——能量关系⏹1-3-1 声压⏹什么是声压？⏹声波传播时，空气媒质各部分产生压缩与膨胀的周期性变化，这变化部分的压强与静态压强的差值称为声压。
⏹瞬时声压、峰值声压与有效值声压⏹Pp=1.414Prms1-3-2 质点振动位移1-3-3 质点振动速度1-3-4 声阻抗⏹声阻抗Z A⏹声阻抗率Z S⏹平面声波中的特性阻抗Z C1-3-5 声能量与声能密度⏹声能量ΔE•声能密度ε⏹定义——单位体积内存在的声能量（瞬时值）•平均声能密度⏹对于平面波：⏹对于球面波：1-3-6 声功率与声强⏹平均声功率定义⏹又称平均声能量流，是指单位时间内通过垂直于声传播方向的面积S的平均声能量。
声波在单位时间内沿传播方向通过某一波阵面所传递的能量。
⏹因为声能量是以声速Co传播的，因此平均声能量流应等于声场中面积为S，高度为D的柱体内所包括的平均声能量，即⏹平均声能量流，单位为瓦，1瓦=1牛顿·米／秒。
•声强I⏹定义⏹通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流就称为平均声能量流密度或称为声强，即⏹自由平面波或球面波的情况下声波在传播方向上的声强为⏹根据声强的定义，它还可用单位时间内、单位面积的声独向前进方向毗邻媒质所作的功来表示，因此它也可写成⏹对于平面波：⏹对于球面波⏹声强的单位是瓦／米2⏹例：⏹一讲话者发出的声功率约为20μW，在离其1米的地方声强为多少？在离其2米的地方声强为多少？⏹注意：切不可将声源的声功率与声源实际损耗的功率混淆。
⏹例：⏹（a）比较在相同声压时，水中和空气中的声强度。
⏹（b）比较在相同频率和位移幅值时，水中和空气中的声强度。
⏹1-3-7 声谱⏹1-3-8 工程计算用声学常数⏹自学内容P15⏹预习：可以从哪几方面来描述人的主观听觉？它们对应的客观量分别有哪些？1-4 听觉心理——主观听觉与电声标准⏹人的主观听觉与客观实际是否一致？⏹音质四要素:⏹振幅（幅度）——音强——响度，大小⏹频率——音高——音调，高低⏹频谱（相位）——音色——品质⏹波的时程特征——音品⏹客观主观1-4-1 声压级与声强级（dB）⏹为什么要采用声压级或声强级？⏹声压和声强的量度问题，声音从最弱到最强用Pa表示麻烦⏹人耳听觉增长规律的非线性•声压级⏹定义⏹在空气中参考声压P ref，一般取为2×10-5帕⏹人耳听力范围：⏹0dB（闻阈）～120dB（痛阈）⏹是否存在小于0dB的声音？•声强级⏹定义⏹空气中参考声强I ref，一般取10-12W／m2⏹声压级与声强级数值上近于相等⏹例：⏹如果一个声波的强度为I A，另一个声音是I A的1000倍，则这两个声波强度差为多少？⏹声功率级•意义与应用⏹电平控制器⏹误差•级和分贝⏹分贝是级的单位，不能按照一般自然数相加的方法求和。
当以分贝为单位的声学量进行相加时，必须从能量的角度考虑，按照对数运算的法则进行计算。
⏹问题：声压提高一倍，声强提高一倍，功率提高一倍，电平提高一倍•声源的叠加⏹功率⏹W1+2=W1+W2⏹声压⏹一般在多个声源声波相遇处的振动，是各个声波所引起的分振动形成的和振动，而其质点上的位移，则是各个声波在这点上所引起的分位移的矢量和，这就是声波叠加的原理。
⏹如果这两个声源为不相干声源，则⏹例：设两个声源的声功率分别是90分贝和80分贝，试求叠加后的总声功率。
⏹例：若在某一声场中有一组不相干声源，在这一声场某点测得声压级分别为80，90，98，100，95，90，82，75及60分贝，求该点的总声压级。
1-4-2 人对声音频率的感觉特点——音高与音阶⏹倍频程P40⏹定义⏹频程的单位，符号为oct，等于两个声音的频率比（或音调比）的以2为底数的对数，在音乐中常称八度。
•十二平均律⏹定义⏹所谓十二平均律，是在一个倍频程的频率范围内，按频率的对数刻度分成十二个等份划分音阶的。
⏹这十二个音阶中，相邻的两个音称为半音关系，它们的频率比为⏹关键词⏹21/12——相临键音高频率关系⏹2n——每n个八度频率相差2n倍⏹f A = 440Hz = f a1•分组⏹大字二组C2~B2⏹大字一组C1~B1⏹大字组C~B⏹小字组c～b⏹小字一组c1～b1⏹小字二组c2～b2⏹例：⏹f e1⏹f B1⏹f d1•人耳频率听觉范围⏹次声<20Hz~20kHz<超声，10个倍频程⏹电声上认为：中频1k~3k⏹另一种观点：500Hz⏹小于150Hz 低音⏹150Hz~500Hz 中低音⏹500Hz~5kHz 中高音⏹大于5kHz 高音⏹极低频20~40：低音大提琴、低音巴松管、管风琴、钢琴、土巴号⏹低频40~80：大鼓、法国号、巴松管、低音单簧管⏹中低频80~160：定音鼓、男低音、上述乐器⏹中频160~1280：所有乐器、人声、厚实与否⏹中高频1280~2560：中提琴上限、长笛、单簧管、双簧管高端、短笛低端、三角铁、钹⏹高频2560~5120：小提琴上限、钢琴、短笛高端、泛音⏹极高频5120~20k：泛音（谐波）•音色⏹为什么频率相同的乐器听起来音色不同？⏹由于各乐器的谐波不同（谐音数目与强度分布不同），音色不同•谐频——音色⏹任何声音的实际音色，均取决于在基频之上出现的谐频（又叫谐音）⏹谐音的频率总是基频的整数倍，这种音在主观上是和谐的；噪声通常是由许许多多频率与强度都不同的各种成分杂乱无章的组合而成。
