第一声学基础-

声学基础知识

添加时间：2008-11-28 9:32:07 文章来源：中国吸音隔声降噪网

声音听觉理论

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由于人耳听觉系统非常复杂，迄今为止人类对它的生理结构和听觉特性还不能从生理解剖角度完全解释清楚。所以，对人耳听觉特性的研究目前仅限于在心理声学和语言声学。

人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声域。在人耳的声域范围内，声音听觉心理的主观感受主要有响度、音高、音色等特征和掩蔽效应、高频定位等特性。其中响度、音高、音色可以在主观上用来描述具有振幅、频率和相位三个物理量的任何复杂的声音，故又称为声音"三要素"；而在多种音源场合，人耳掩蔽效应等特性更重要，它是心理声学的基础。下面简单介绍一下以上问题。

一、声音三要素

1．响度

响度，又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。声音的响度一般用声压(达因／平方厘米)或声强(瓦特／平方厘米)来计量，声压的单位为帕(Pa)，它与基准声压比值的对数值称为声压级，单位是分贝(dB)。对于响度的心理感受，一般用单位宋(Sone)来度量，并定义lkHz、40dB的纯音的响度为1宋。响度的相对量称为响度级，它表示的是某响度与基准响度比值的对数值，单位为口方(phon)，即当人耳感到某声音与1kHz单一频率的纯音同样响时，该声音声压级的分贝数即为其响度级。可见，无论在客观和主观上，这 两个单位的概念是完全不同的，除1kHz纯音外，声压级的值一般不等于响度级的值，使用中要注意。

响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB-140dB(也有人认为是-5dB-130dB)。固然，超出人耳的可听频率范围(即频域)的声音，即使响度再大，人耳也听不出来(即响度为零)。但在人耳的可听频域内，若声音弱到或强到一定程度，人耳同样是听不到的。当声音减弱到人耳刚刚可以听见时，此时的声音强度称为"听阈"。一般以1kHz纯音为准进行测量，人耳刚能听到的声压为0dB(通常大于0．3dB即有感受)、声强为10-16W/cm2 时的响度级定为0口方。而当声音增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为"痛阈"。仍以1kHz纯音为准来进行测量，使 人耳感到疼痛时的声压级约达到140dB左右。

1 第二章 声波的基本性质

§2.1 概述

2.1.1 声波的物理量

1、声压p 指由声扰动产生的逾量压强，即声波引起的介质压强起伏与介质

静压的差值。0pPPP 声压p通常是空间和时间的函数。(,)pprt

介质中的实际压强为0PPp （2-1-1）

2、介质的密度和温度

与声压的概念相似，声扰动或声波同样可以引起介质密度和温度的起伏。

0 0TT （2-1-2）

和同样是空间和时间的函数。不过一般情况下，这种起伏通常较小（详见小振幅声波或线性声学基本假设），可以近似认为：0 ，0TT 即忽略密度和温度的起伏，近似认为它们为常量。

3、声波中的质点振动位移s和振动速度v

指产生或传播声波的质点（或微元体）在其平衡位置附近的振动位移和振动

速度。通常它们是矢量（场）。

4、声速c

指声波在介质中的传播速度，分为相速度和群速度。关于它们以后再介绍。

5、声波的频率f、角频率、波长、周期T等是我们熟悉的物理量，此处不再赘述。描述声波的物理量还有许多，以后还要陆续介绍。

2.1.2 声波分类

关于声波有多种分类方法很多，常见的分类方法主要有：

根据波阵面（或等相位面）的形状或波源的几何特征，可以将声波分为：

1、 球面波（点源）；2、柱面波（直线源）；3、平面波（平面源）

根据波的振动方向与波传播方向的几何关系，可以将声波分为：

1、纵波，振动方向与波传播方向平行；

2、横波，振动方向与波传播方向垂直；

根据介质的几何尺寸和形状，还可将其中的声波分类为体波和导波，前者指在无限大介质中传播的波，而后者则指在有限介质中传播的波。另外根据介质的理想化程度和对其数学描述的近似程度，把声学划分为：

线性声学

压强式电容传声器的简单工作原理。

压强式电容传声器常作声学测试用，它的特点是工作频带宽，接收灵敏度频率特性均匀。这种传声器的简单工作有原理如图所示。

它有一接收声波的振膜作为力学振动系统，振膜与背极形成一静态电容C0,这个电容串接到有直流电源E0和负载电阻Re的电路中，当振膜受到声波的作用力FF作用时就产生位移，从而使振膜与背极间已形成的静态电容发生变化，这一电容量的变化导致负载电阻中电流相应的变化，由此就在此电阻上产生与声波频率相应的交变电压输出。简单计算可以得到，当负载电阻Re甚大时，传声器的开路输出电压E与振膜的位移之间有如下关系：E＝DE0，其中D为振膜与背极之间的静态距离，E0为在它们之间垢极化电压。这一关系表示了电容传声器的开路输出电压与振膜的位移是成正比的，因此如果能在结频率恒定的力的振幅FA作用下，使振膜产生恒定的位移振幅A，那么传声器就能产生对频率恒定的开路输出电压幅值EA，根据上面对振动位移控制的分析可知，如果把振膜设计在弹性控制状态，即将振膜的固有频率设计在远高于工作频率范围，这时就可得振膜的位移振幅为MAAKF，它与频率无关。如果再根据前面1－4－3中的分析，使振膜的力学品质因素QM接近1，那么就可以使位移振幅对频率均匀 特性范围扩大到固有频率附近，而使电容传声器的工作频段范围更为宽广。

压强式动圈传声器工作原理

图1－4－6是一种作为广播或录音等用的普通压强式动圈传声器的工作原理图。传声器的振动系统由音膜与音圈组成。音膜的边缘压成折环状起着弹簧的作用，音膜的球顶部分和音圈连在一起起着质量块的作用。音圈放在磁极间的缝隙中，当有一由声波而产生的力FF作用在音膜上时，音膜连同音圈产生振动，音圈在磁场中切割磁力线，从而使音圈的导线感应出电压。根据电磁学原理可知，当总长为l的导体在磁感庆通量密度为B（单位为韦伯/米2）的磁场中以速度v运动时，其感应的开路电压为E＝Blv.此关系式表示了，这种传声器的开路电压是与振动系统的速度成正比的。因此如果在对频率恒定的力作用下，使音膜产生恒定的速度振幅VA，那么就能使传声器产生对频率恒定的开路电压幅值EA。根据上面对振劝速度控制的分析可知，如果把音膜－音圈的振动系统设计在力阻控制状态，这时系统的速度振幅可得为VAMAARFV，它与频率无关，如果力阻愈大，则受这一力阻控制的频率范围愈宽，传声器具有均匀频率特性的频段也愈宽。根据1－4－3中的分析，对力阻RM的控制可归结为对力字品质因素QM的控制，例如取QM＝0.1，则可以使传声器频率特性的均匀范围扩大到Δf=100f0,然而由于Va与RA成正比，报以过大的力阻会使传声器的灵敏度受到损失，因而一般在实用上常常是适中地控制力阻，而同时又采用高低频补偿的辅助声学措施，使传声器既能保证有足够的工作频段，又能具有一的灵敏度。因此，在现代生产的一宽频带动带传声器，其内部声学结构常常是较为复杂的。

声学基础知识

1．一切发生的物体都在 。振动停止，发声 。

2．发声体的振动能靠一切气体、液体、固体物质向周围传播，这些物质是传播声音的媒介物，简称为 。声音在真空中 。

3．声音在不同介质中传播速度一般不同，在同一介质中的传播速度还与介质的 有关。声音在金属中比在液体中传播得 ，在液体中比在空气中传播得 。

4．声音在传播过程中遇到障碍物时会发生 ，形成 。人讲话的声音在传播过程中总是要遇到障碍物的，即总是要产生回声的。不同的情况，人对回声的听觉不一样。如果回声到达人耳比原声晚 s以上，则人耳能把回声跟原声区分开；如果短于这个时间，回声与原声就混在一起，使原声 。

5．在物理学中，把人们由听觉所感受到的声音的高低称为 ，听觉所感受到的声音的大小称为 ；即使是高低、大小都相同的声音听起来也不一定完全一样，可见声音除了高低、大小这些特征外，还有第三个特征，这第三个特征就是 。习惯上称声音的这三个特征为声音的三要素。

6．声音的高低，即音调的高低跟发声体振动的 有关，其 越大，音调越 ；声音的大小，即声音的响度跟发声体 的大小有关，其 越大，响度越 。音色和发声体的材料和结构有关。

7．减弱噪声的途径有三条：一是 减弱；二是 减弱；

三是 减弱。

机械运动

物理学里把 称为机械运动。在研究物体的机械运动时，需要明确是以哪个物体为标准，这个作为标准的物体叫 。自然界中的一切物体都在运动，静止是相对的，我们观察同一物体是运动还是静止，取决于所选的 。 叫匀速直线运动； 叫变速运动。把变速运动当作简单的匀速直线运动来处理，即把物体通过的路程和通过这段路程所需时间的比值，称为物体在这段路程或这段时间内的 ，它只能粗略的描述物体运动的快慢。