聲學(xué)定義和音高單位

一、什么是聲學(xué)

聲音是人類最早研究的物理現(xiàn)象之一，聲學(xué)是物理學(xué)中歷史最悠久而當(dāng)前仍在前沿的分支學(xué)科。聲學(xué)，英文Acoustics，指研究機(jī)械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的科學(xué)。聲學(xué)作為一門跨層次的基礎(chǔ)性學(xué)科，研究從微觀到宏觀、從次聲（長(zhǎng)波）到超聲（短波）的一切形式的線性與非線性機(jī)械波現(xiàn)象。隨著19世紀(jì)無(wú)線電技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用，聲學(xué)研究方向已出現(xiàn)很多分支：基礎(chǔ)聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、非線性聲學(xué)、量子聲學(xué)、分子聲學(xué)、次聲學(xué)、超聲學(xué)、光聲學(xué)、電聲學(xué)、熱聲學(xué)、建筑聲學(xué)、語(yǔ)言聲學(xué)、物理聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)聲學(xué)、水聲學(xué)、大氣聲學(xué)、海洋聲學(xué)、地聲學(xué)、生理聲學(xué)、音樂聲學(xué)及聲化學(xué)等。

二、聲音的產(chǎn)生和傳播

聲音是物體產(chǎn)生的機(jī)械波，通過空氣傳播到耳朵，例如：人說(shuō)話通過聲帶的振動(dòng)。聲音傳播通常通過空氣。一個(gè)鼓面或聲帶等的機(jī)械波傳遞到附近的空氣，這些粒子把機(jī)械波又傳遞到更遠(yuǎn)的地方，這樣連續(xù)傳遞直到最初的聲能漸漸耗盡。壓力向鄰近空氣傳播的過程產(chǎn)生我們所說(shuō)的聲波。聲波在傳播過程中，在介質(zhì)間會(huì)有聲波能量的反射、吸收和穿透。見圖1聲波碰到室內(nèi)某一界面后傳播解剖圖：當(dāng)聲波（Eo）碰到室內(nèi)某一界面后（如天花板、墻壁），一部分聲能被反射（Er），一部分被吸收（主要是轉(zhuǎn)化成熱能）（Ea），一部分穿透到另一空間（Ei）。

圖1 聲波聲波碰到室內(nèi)某一界面后傳播解剖圖

Eo ＝ Ey＋Ea＋Ei1、透射系數(shù)：2、反射系數(shù)：3、吸聲系數(shù)：三、聲音的強(qiáng)度

聲音的強(qiáng)度，形象也稱為響度、音高或音程，取決于機(jī)械波的振幅：譬如用力地敲一根弦時(shí)，這根弦就大距離地向左右兩邊擺動(dòng)，由此產(chǎn)生強(qiáng)機(jī)械波，發(fā)出一個(gè)響亮的聲音；而輕輕地敲一根弦時(shí)，這根弦僅僅小距離左右擺動(dòng)，產(chǎn)生的機(jī)械波弱，而發(fā)出一個(gè)微弱的聲音。聲速一定時(shí)，聲音的高低強(qiáng)度取決于機(jī)械波的波長(zhǎng)，較短的空間產(chǎn)生的波長(zhǎng)較短，較長(zhǎng)的空間產(chǎn)生的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，如小音箱比同類型的大音箱波長(zhǎng)短，音調(diào)高。同樣的道理，短弦的發(fā)音比長(zhǎng)弦高；個(gè)子矮的人比個(gè)子高的人聲音高等。聲壓和聲強(qiáng)有密切的關(guān)系，在自由聲場(chǎng)中，測(cè)得聲壓和已知測(cè)點(diǎn)到聲源的距離，就可計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)之聲強(qiáng)和聲源的聲功率（聲能）。

聲行波強(qiáng)度用單位面積內(nèi)傳播的功率（以W/m2為單位）表示，但是在聲學(xué)測(cè)量中，有時(shí)功率不易直接測(cè)量得到，所以有時(shí)會(huì)用壓強(qiáng)差（又稱聲壓）代替聲強(qiáng)來(lái)表示強(qiáng)度。3.1、聲壓級(jí)Lp：取參考聲壓為Po=2*10-5N/m2為基準(zhǔn)聲壓，任一聲壓P的Lp為：聲強(qiáng)I與聲壓P的關(guān)系式中，Zc是媒質(zhì)的聲特性阻抗，Zc=ρC，即在相同溫度和壓強(qiáng)下，聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比，比例系數(shù)受溫度、介質(zhì)壓強(qiáng)和介質(zhì)屬性的影響。聲壓增加10倍，聲強(qiáng)則增加100倍，分貝數(shù)增加20。所以聲壓為其基準(zhǔn)值的100倍時(shí)，聲強(qiáng)級(jí)是40dB。在使用聲強(qiáng)級(jí)或聲壓級(jí)時(shí)，基準(zhǔn)值必須說(shuō)明。在空氣中，ρс≈400，聲強(qiáng)的基準(zhǔn)值常取為10-12W/m2，與這個(gè)聲強(qiáng)相當(dāng)?shù)穆晧夯鶞?zhǔn)值約為20μPa（即2×10-5N/m2，會(huì)受溫度影響），這大約是人耳在250Hz所能聽到的最低值。這時(shí)聲強(qiáng)級(jí)為0dB（這是在空氣中，并選擇了適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)值情況下）。

人耳聽覺下限：p=2×10-5N/m2，Lp為0dB；

能量提高100倍：P=2×10-3N/m2，Lp為20dB；

人耳聽覺上限：P=20N/m2，Lp為120dB。

3.2、聲功率級(jí)Lw：取Wo為10-12W為基準(zhǔn)聲功率級(jí)，任一聲功率W的聲功率級(jí)Lw為：3.3、聲強(qiáng)級(jí)LI：取Io為10-12W/m2為基準(zhǔn)聲強(qiáng)，任一聲功率W的聲強(qiáng)級(jí)LI為(dB)：

在聲學(xué)中常見的聲強(qiáng)范圍非常大，所以一般用對(duì)數(shù)表示，稱聲強(qiáng)級(jí)，單位是分貝（dB）。先選一個(gè)基準(zhǔn)聲強(qiáng)值，一個(gè)強(qiáng)度等于其基準(zhǔn)值10000倍的聲，聲強(qiáng)級(jí)稱40dB，強(qiáng)度1000000倍的聲則強(qiáng)度級(jí)為60dB。3.4、聲壓級(jí)的疊加幾個(gè)聲源同時(shí)作用時(shí)，某點(diǎn)的聲能是各個(gè)聲源貢獻(xiàn)的能量的代數(shù)和。因此其聲壓是各聲源貢獻(xiàn)的聲壓平方和的開根號(hào)，即：

聲壓級(jí)Lp為：

這樣一來(lái)，問題就來(lái)了：聲壓級(jí)計(jì)算中10dB+10dB和0dB+0dB以及0dB+10dB是多少，可不是簡(jiǎn)單的相加關(guān)系，根據(jù)對(duì)數(shù)公式和上面分析，答案應(yīng)分別是：13dB、3dB、10dB。也就是說(shuō)，兩個(gè)數(shù)值相等的聲壓級(jí)疊加后，像上面的10dB+10dB和0dB+0dB，總聲壓級(jí)只比原來(lái)增加3dB，而不是增加一倍。此外，兩個(gè)聲壓級(jí)分別為不同的值時(shí)，其總的聲壓級(jí)為：

以上疊加結(jié)論，對(duì)于聲強(qiáng)級(jí)LI和聲功率級(jí)Lw同樣適用。