聲學(xué)基礎(chǔ)知識

本文大綱如下：

聲波

基本概念

聲音由物體的振動(dòng)產(chǎn)生。

音叉振動(dòng)時(shí)，激勵(lì)周圍空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)壓強(qiáng)波動(dòng)疊加在大氣壓上。由于空氣具有可壓縮性，在質(zhì)點(diǎn)的相互作用下，不斷地交替產(chǎn)生壓縮與膨脹，并且逐漸向外傳播。

聲波的傳播方式不是物質(zhì)的移動(dòng)， 而是能量的傳播。 質(zhì)點(diǎn)并不會(huì)隨聲波向前擴(kuò)散，而僅在原來的平衡位置附近振動(dòng)，靠質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用影響鄰近質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，從而向四周傳播能量，形成波動(dòng)。
聲波可以在彈性介質(zhì)中傳播，不能在真空中傳播。

聲音的產(chǎn)生：當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，會(huì)引起周圍空氣的波動(dòng)，導(dǎo)致空氣粒子間的距離發(fā)生疏密變化，從而引發(fā)空氣壓強(qiáng)的改變，再通過耳膜對空氣壓力的反映進(jìn)人大腦。

聲波：從物理學(xué)角度來看，聲是一種機(jī)械波，是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，物體振動(dòng)使周圍的介質(zhì)（空氣）產(chǎn)生波動(dòng)?？諝庵袀鞑サ牟ㄊ强v波。

聲波也分為周期性聲波和非周期性聲波，最簡單的周期聲波是單頻的聲波，也稱為純音。它是由簡諧振動(dòng)產(chǎn)生的頻率固定、并按正弦變化的聲波。

人耳所能感受到的聲波頻率是從 20Hz~20KHz。

聲波物理量

聲壓

聲壓是由于聲波的存在而引起的壓力增值，單位為 Pa。但通常講的聲壓是取均方根值，叫有效聲壓，故實(shí)際上總是正值。

聲功率

聲功率是指單位時(shí)間內(nèi)，聲波通過垂直于傳播方向某指定面積的聲能量。在噪聲監(jiān)測中，聲功率是指聲源總聲功率，單位為 W。

聲強(qiáng)

聲強(qiáng)是指單位時(shí)間內(nèi)，聲波通過垂直于傳播方向單位面積的聲能量，單位為W/S。稱為空氣對聲波的特性阻抗。

聲壓級

聲壓級常用符號 SPL來表示，但有用其他符號，如 LP, L, LdB, L（dB）或 L（dBA）等形式，A 表示 A 計(jì)權(quán)。在聲學(xué)領(lǐng)域，dB 經(jīng)常用作為表征聲壓級 SPL (Sound Pressure Level）的大小。
人類耳朵對聲音強(qiáng)度的反應(yīng)不是線形的，而是成對數(shù)比例關(guān)系，使得對數(shù)的單位可以拿來代表人類聽覺變化的比例，因此，以對數(shù) dB 形式表示的聲壓級應(yīng)運(yùn)而生了。分貝是聲壓級的單位。

分貝（dB）定義為兩個(gè)數(shù)值的對數(shù)比率，這兩個(gè)數(shù)值分別是測量值和參考值（也稱為基準(zhǔn)值），存在兩種定義情況：

根據(jù)人耳可聽的聲壓幅值波動(dòng)范圍可算出：

聲壓的參考值是20uPa ，這個(gè)值表示人耳在 1000 Hz 處的平均可聽閾值，或者是人耳在 1000Hz 處可被感知的平均最小聲壓波動(dòng)值。
聲音壓力每增加一倍， 聲音量級增加6dB。

什么是 -3dB

-3dB 也叫半功率點(diǎn)或截止頻率點(diǎn)。這時(shí)功率是正常時(shí)的一半，聲壓是正常時(shí)的 0.707。

人耳可聽的聲音有一定的頻率范圍（20-20K Hz）和一定的聲壓級范圍（0-120dB），人耳不是對所有頻率的敏感度都相同。正常人耳最敏感的頻帶是 3000Hz 到 6000Hz，通常，低頻段和高頻段聲音感知能力不如中頻段。
一般需要對聽到的聲壓級，通過增益因子進(jìn)行修正。使用最多的是A計(jì)權(quán)。dBA 是指對聲音的 A 計(jì)權(quán)。通常對 A 計(jì)權(quán)的結(jié)果，用單位 dBA 或 dB (A）來表示。A 計(jì)權(quán)對應(yīng)40方等響曲線，B，C對應(yīng)70，100方的等響曲線。

聲的復(fù)合

當(dāng)空間上存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的聲源時(shí)，這時(shí)每個(gè)聲源發(fā)出的聲波在空間進(jìn)行傳播不會(huì)因?yàn)槠渌暡ǖ拇嬖诙淖兤鋫鞑ヒ?guī)律。但是在空間某位置上的波動(dòng)是各個(gè)聲波在該點(diǎn)激發(fā)起來的振動(dòng)的疊加，這種現(xiàn)象稱為聲波的疊加。

聲波疊加

兩個(gè)聲波在疊加時(shí)，存在幾種特殊情況：

幅值頻率相同，傳播方向相同，相位相反。兩聲波疊加時(shí)，會(huì)相互抵消，幅值為零。達(dá)到消聲目的

幅值相同，傳播方向相同，頻率相近。聲波在疊加時(shí)會(huì)產(chǎn)生所謂的“拍”現(xiàn)象。

當(dāng)兩個(gè)聲波的頻率差處于不同頻率范圍時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出不同的調(diào)制特性。如果二者頻差低于 20Hz，會(huì)出現(xiàn)明顯的幅值波動(dòng)，拍現(xiàn)象所示就屬于這種情況；當(dāng)頻差大于 20HZ，而低于 300Hz 時(shí)，能感受到明顯的粗糙特性；而當(dāng)頻差大于 300HZ 時(shí)，可以感受到兩個(gè)明顯的純音。

基波

將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波作為基準(zhǔn)，稱作基波。

諧波

也稱泛音，諧波就是比基波的頻率高整數(shù) 倍的波。
基波和諧波的疊加構(gòu)成了聲音的復(fù)合。

單音

特指單一樂器演奏獨(dú)立的一個(gè)音發(fā)出的聲波（諧波疊加），其基波的頻率稱為音高。

不同樂器的單音所疊加的諧波在頻率和振幅上都不相同，因此樂器的音色千差萬別。

聲音四要素

響度（loudness)

是人耳對于聲音大小的主觀感受，單位是宋（Sone）和方（Phon）。 也叫音強(qiáng)

與振幅相關(guān)
與聲音強(qiáng)度成對數(shù)比例。
聲音頻率有關(guān)

低頻聲音需要有更高聲壓級才能具有高頻聲音同樣的響度。
響度除了和聲壓級、頻率有關(guān)外，和信號的持續(xù)時(shí)間也有關(guān)系。對于持續(xù)時(shí)間少于 200ms 的純音信號，人們會(huì)覺得隨持續(xù)時(shí)間變大聲音越來越響，持續(xù)時(shí)間超過 200 ms 后響度趨于穩(wěn)定。

音調(diào)（pitch)

是人對聲調(diào)或者說音高的主觀感受，單位是美（Me)， 也叫做音高。

由頻率決定；
音調(diào)也與聲音強(qiáng)度有關(guān)。
音調(diào)與頻率不同

音長

聲音持續(xù)時(shí)長

音色（Timbre)

音色不同是由于不同聲音各自的頻率成分以及幅度不全相同造成。也叫做音質(zhì)。

正弦波中頻率最低的便為基波

頻率比基波高的正弦波稱為諧波

不同的頻率成分構(gòu)成不同的音色。

人耳對不同強(qiáng)度、不同頻率聲音的聽覺范圍稱為聲域。

在人耳的聲域范圍內(nèi)，聲音聽覺心理的主觀感受主要有響度、音高、音色等特征和掩蔽效應(yīng)、定位等特性。

響度、音高、音色、音長可以在主觀上用來描述具有振幅、頻率和相位三個(gè)物理量的任何復(fù)雜的聲音，故又稱為聲音“四要素”，它們是心理聲學(xué)的基礎(chǔ)。

審核編輯：湯梓紅