聲波傳播特性及人耳聽覺特性

1、第一節(jié) 聲波的傳播特性,聲波是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的,當(dāng)振動(dòng)在一定的頻率和強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí),人耳就可以聽到.振動(dòng)發(fā)聲的物體稱為聲源,有聲波傳播的空間稱為聲場(chǎng).當(dāng)聲源在空氣中發(fā)聲時(shí),媒質(zhì)也產(chǎn)生振動(dòng),于是,振動(dòng)形成波動(dòng),在空間傳播開來,在聲源周圍形成疏密交替的空氣壓力波,即聲波.在15攝氏度時(shí),大約以340米/秒的速度由聲源向外傳播.氣體中的聲波屬于縱波,即波的前進(jìn)方向與媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向在一條直線上.,尺寸比波長(zhǎng)小的聲源所發(fā)出的聲波是以球面

2、擴(kuò)展的,波陣面為球面,這種聲波稱為球面聲波.這種聲源稱為點(diǎn)聲源.現(xiàn)實(shí)中的聲源,即使具有一定的尺寸,但在距離與聲源尺寸相比充分遠(yuǎn)時(shí),也可將它看作點(diǎn)聲源,在這樣距離里處得到球面聲波.當(dāng)距離遠(yuǎn)到一定程度時(shí),波陣面即與平面聲波的波陣面相接近,可看做平面聲波.,一、聲波的反射,聲波在前進(jìn)過程中如果遇到尺寸甚大于聲波波長(zhǎng)的堅(jiān)硬界面,會(huì)產(chǎn)生反射.聲波從界面反射的角度與聲波入射到界面的角度相等,即反射角等于入射角.反射的聲波如同從界面后面與

3、聲源相對(duì)應(yīng)位置處發(fā)射出來的一樣,即如同在該位置處有一聲源,稱為虛聲源,也稱為鏡像聲源,它與界面的距離等于聲源與界面的距離,如圖1-1所示.,當(dāng)聲源在一個(gè)凹界面前,聲波會(huì)產(chǎn)生聚焦,如圖1-2所示.對(duì)于播音室來說,為了良好擴(kuò)散,應(yīng)避免凹界面.當(dāng)聲源在一個(gè)凸界面前,聲波會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散,如圖1-3所示.播音室中經(jīng)常采用凸面結(jié)構(gòu),以增加聲波的擴(kuò)散,使聲場(chǎng)中聲能密度均勻.,二、聲波的干涉,由幾個(gè)聲源產(chǎn)生的聲波,同時(shí)在同一媒質(zhì)中傳播時(shí),如果幾個(gè)聲波在

4、某點(diǎn)相遇,在相遇處媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)將是各個(gè)聲波所引起的分位移和矢量和,就是聲波的疊加原理.也就是說,每個(gè)聲波都獨(dú)立地保持自己原有的特性(如頻率、波長(zhǎng)、振動(dòng)方向等).因而,幾種樂器同時(shí)演奏或幾個(gè)人同時(shí)說話時(shí),我們也能分辨出各種樂器和各個(gè)人的聲音.兩個(gè)聲波傳到媒質(zhì)中的一點(diǎn)時(shí),如果兩聲波在該點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)是同相的,則這點(diǎn)的振動(dòng)會(huì)加強(qiáng);如果兩聲波在該點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)是反相的,則該點(diǎn)的振動(dòng)就會(huì)相互減弱或抵消.,當(dāng)兩個(gè)頻率相同,振動(dòng)方向相同,相位

5、相同或相位差恒定的聲源所發(fā)出的聲波疊加時(shí),會(huì)使某些點(diǎn)的振動(dòng)加強(qiáng),某些點(diǎn)的振動(dòng)減弱,甚至被抵消而不振動(dòng),這種現(xiàn)象稱為聲波的干涉現(xiàn)象.產(chǎn)生干涉的聲波稱為相干聲波,相應(yīng)的聲源稱為相干聲源.當(dāng)一個(gè)聲源處于兩個(gè)具有很小吸聲性能的平行界面之間時(shí),垂直入射的聲波與反射聲波會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,干涉的結(jié)果在空間形成振幅分布恒定不變的振動(dòng),這種情況稱為駐波.兩個(gè)頻率相近,強(qiáng)度相差不多的聲波相遇時(shí),由于兩者間的相位差時(shí)刻在變化而使疊加后的聲波振幅做周期

6、變化,合成的聲波會(huì)在時(shí)間上有強(qiáng)弱的變化,這種現(xiàn)象稱為拍.振幅變化的頻率等于原來兩個(gè)頻率之差,稱為拍頻.,三、聲波的衍射和繞射,由于媒質(zhì)中的障礙物或其他不連續(xù)性而引起聲波波陣面畸變的現(xiàn)象稱為衍射(或繞射).如圖1-4所示,當(dāng)聲波在傳播過程中遇到有小孔的大障礙物時(shí),如果小孔寬度大于聲波波長(zhǎng),聲波將從小孔穿過向前傳播;如果小孔寬度小于聲波波長(zhǎng),則在障礙物的另一側(cè)的聲波有如一個(gè)以小孔為中心的新的聲源發(fā)射的聲波.當(dāng)聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于障礙物尺寸時(shí)

7、,聲波可繞過障礙物向前前進(jìn);當(dāng)聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于障礙物尺寸時(shí),聲波會(huì)被反射一部分,并在障礙物后面形成一無聲區(qū).,四、聲強(qiáng),聲波的強(qiáng)度可以用聲壓幅度表示.如果聲源是一個(gè)點(diǎn)聲源,在距聲波不太遠(yuǎn)的范圍內(nèi),聲波的波前為球面,聲壓幅度將與距離平方成反比.如果聲源很大,或離開聲源很遠(yuǎn),則聲波波前為平面,聲壓幅度就不隨距離遠(yuǎn)近而變化,而是保持一個(gè)恒定大小.在實(shí)際中,由于空氣對(duì)聲波的吸收,聲波的能量會(huì)逐步損失,直至使聲壓幅度為零.,第二節(jié) 人耳的聽

8、覺特性,一、人耳的聽覺器官圖1-5為人耳的剖面圖.它分為外耳、中耳和內(nèi)耳三個(gè)部分.,1.外耳由耳廓(耳殼)和外耳道組成.耳廓起收集和向外耳道反射聲音的作用,外耳道將聲音傳送給中耳.外耳道的自然諧振頻率約為3400Hz,由于外耳道的共鳴,以及人頭對(duì)聲音產(chǎn)生的反射和衍射,使得人耳對(duì)2~4Hz的聲音感覺約可提高15~20dB.2.中耳由鼓膜和三塊聽小骨組成.鼓膜是一個(gè)漏斗狀的薄膜,聲波激勵(lì)鼓膜振動(dòng),并將振動(dòng)傳給三塊聽小骨.聽小

9、骨具有一些非線性,使人們對(duì)一個(gè)頻率的聲音能產(chǎn)生出它的諧音的感覺.,3.內(nèi)耳由三個(gè)半規(guī)管和耳蝸組成.耳蝸呈螺旋形,狀似蝸牛,是一骨質(zhì)腔體,內(nèi)部充滿淋巴液.耳蝸沿其長(zhǎng)度被基底膜分為兩部分,分別稱為前庭階和鼓階.在基底膜上分布有大量毛細(xì)胞,每根毛細(xì)胞上都連有末梢神經(jīng).人耳聽音的詳細(xì)過程如下:聲音經(jīng)過耳廓和外耳道到達(dá)鼓膜,使鼓膜產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng).鼓膜的振動(dòng)經(jīng)類似杠桿系統(tǒng)的三個(gè)聽小骨放大后,傳到耳蝸的卵形窗,并傳遞給耳蝸內(nèi)的淋巴液.耳蝸通過

10、大約4000根神經(jīng)末梢與大腦相連.,耳蝸是一選頻器官.高頻聲音激勵(lì)靠近卵形窗的神經(jīng)末梢;中頻聲音激勵(lì)中部的神經(jīng)末梢;末端的神經(jīng)末梢則被低頻的聲音激勵(lì)。當(dāng)耳蝸的某個(gè)范圍被相應(yīng)頻率的聲音激勵(lì)時(shí),這個(gè)部位的毛細(xì)胞就會(huì)使相連的神經(jīng)末梢發(fā)出電脈沖,并將電脈沖傳遞給大腦.每單位時(shí)間的脈沖數(shù)取決于聲音的強(qiáng)度.聲音越強(qiáng),毛細(xì)胞受到的激勵(lì)越強(qiáng)烈,單位時(shí)間內(nèi)傳給大腦的脈沖數(shù)就越多.因此,耳蝸是個(gè)很好的聲音分析儀,它能從一個(gè)復(fù)合的聲音中分辨出各個(gè)頻率成分.

11、用人耳辨別聲音的音調(diào),只需聽到振動(dòng)的幾個(gè)周期就能分辨得一清二楚.在聽覺范圍內(nèi)人耳能認(rèn)定和區(qū)分大約1500種不同的音調(diào).,二、人耳對(duì)聲音的感受,人耳對(duì)聲音的感受,只能在一定范圍的頻率及聲壓級(jí)下進(jìn)行,在這個(gè)范圍外的聲音人耳是感覺不到的.人耳能感受的聲音頻率范圍因人而異,也隨聽音人的年齡而不同.人耳的可聽頻率范圍為20Hz-20KHz,這個(gè)范圍外的聲音,無論聲壓級(jí)多高,人耳都聽不到.高于20KHz的稱為超聲;低于20Hz的稱為次聲.年輕人

12、可以聽到高頻上限的聲音,超過20歲后,可聽到的頻率上限會(huì)逐漸下降.聲音是一種物理現(xiàn)象,人耳聽到聲音后對(duì)聲音的感受卻是一種心理現(xiàn)象,首先應(yīng)弄清楚人耳的主觀感受與聲音的物理量之間的關(guān)系.通常將人耳對(duì)聲音的三種主觀感受,即響度、音調(diào)和音色稱為聲音三要素. 響度主要與聲音的振動(dòng)幅度有關(guān);音調(diào)主要與聲音的振動(dòng)頻率有關(guān);音色主要與聲音的振動(dòng)頻譜有關(guān).,１．響度,人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的感覺稱為響度.人耳對(duì)聲音響度的感覺與聲壓級(jí)和頻率有關(guān),將人耳在

13、聽到不同頻率純音(正弦波)時(shí),對(duì)所有具有相同音量感的聲壓用一條曲線表示后得到的曲線族,稱為等響曲線.如圖1-6所示.圖中每條曲線上所代表的與聲壓級(jí)、頻響相對(duì)應(yīng)的聲音,人耳聽來都是同樣響的,也可以理解為對(duì)于不同頻率的聲音,人耳聽到同樣響度時(shí)所需的聲壓級(jí)不同.例如,以1KHz、60dBSPL的聲音為基準(zhǔn),人耳聽到與它等響的100Hz聲音所需的聲壓級(jí)68dBSPL,對(duì)20Hz聲音需100dBSPL,對(duì)4KHz聲音則需51dBSPL. 將1K

14、Hz 聲音以dB表示的聲壓級(jí)定義為響度級(jí),單位為phon(方).,0phon以下的聲音,人耳是聽不見的,所以0phon曲線可稱為聽閥;120phon以上的聲音會(huì)使人耳感到疼痛,所以120phon曲線可稱為痛閥.分析等響曲線可得出以下結(jié)論:(1)人耳對(duì)不同頻率聲音的靈敏度不同,對(duì)中頻段最為敏感,對(duì)高、低頻段的敏感度下降.(2)從聽閥曲線可看出, 4KHz左右是曲線的最低點(diǎn),即人耳聽到4KHz左右聲音所需的聲壓級(jí)最小,因而對(duì)4K

15、Hz左右聲音最為敏感.這是由于外耳道共鳴引起的.,(3)聲壓級(jí)越高,人耳聽覺頻響越趨平直;聲壓級(jí)越低,人耳聽覺頻響越不好,高低頻都會(huì)有所損失.(4)對(duì)100Hz以下的低頻聲,人耳的靈敏度會(huì)急劇下降.對(duì)20Hz聲音的聽閾為70dBSPL,因此為了進(jìn)行有適當(dāng)?shù)鸵舻恼{(diào)音,監(jiān)聽揚(yáng)聲器的聲壓級(jí)至少應(yīng)為70dBSPL.通常監(jiān)聽揚(yáng)聲器的聲壓級(jí)取為70-90dBSPL.當(dāng)監(jiān)聽音量減小時(shí),高頻、低頻聲會(huì)有所損失,因而改變監(jiān)聽揚(yáng)聲器的聲壓級(jí)會(huì)使不同頻段

16、的音量平衡發(fā)生變化.(5)曲線族之間的間隔1KHz附近幾乎是均等的, 說明人耳對(duì)1KHz附近的頻率,聲壓變化的dBSPL值與聽覺上的音量感的變化是比較一致的.因此,選定1KHz聲音作為各種聲音的聲壓級(jí)基準(zhǔn).,根據(jù)上述分析可知,當(dāng)改變重放音量時(shí),各個(gè)頻率的聲音的響度級(jí)也將改變,所以人們會(huì)感到聲音的音色有變化.即使是一個(gè)高級(jí)的放音裝置,在低聲級(jí)放音時(shí),會(huì)感到放音頻帶變窄,聲音單薄;相反,即使是一個(gè)低級(jí)的放音裝置,在提高放音量時(shí),也會(huì)感

17、到放音頻帶展寬,聲音較豐滿.為了減小等響曲線的影響,可以在前置放大器部分安裝響度控制器,使在低聲級(jí)放音時(shí),能根據(jù)等響曲線自動(dòng)地將低聲級(jí)頻段聲音的聲級(jí)進(jìn)行反校正,將它們相應(yīng)提高.,２．音調(diào),人耳對(duì)聲音高低的感覺稱為音調(diào).音調(diào)主要與聲音的基音頻率有關(guān),但不成正比,是一種對(duì)數(shù)關(guān)系.,影響音調(diào)的因素還有聲壓級(jí)和持續(xù)時(shí)間聽覺有心理因素和生理因素,音量變化對(duì)音調(diào)感覺有影響,低頻聲減小音量,會(huì)感到音調(diào)升高;增大音量時(shí),會(huì)感到音調(diào)變低.高頻聲

18、正相反,減小音量時(shí)會(huì)感到音調(diào)變低.增大音量時(shí),會(huì)感到音調(diào)變高.因此在小音量時(shí)必須將低頻聲的音調(diào)調(diào)低一些,而將高頻聲的音調(diào)調(diào)高一些,才能等到應(yīng)有的音調(diào).,3.音色,音色是聽覺上區(qū)別具有同樣響度和音調(diào)的兩個(gè)聲音的主觀感覺,也稱為音品. 由頻譜結(jié)構(gòu)決定,即由聲音的基頻和諧波的數(shù)目以及它們之間的相互關(guān)系來決定.聲音的頻譜結(jié)構(gòu)用頻譜圖來表示,以頻率的對(duì)數(shù)坐標(biāo)作為橫坐標(biāo),以聲壓級(jí)作為縱坐標(biāo),將基頻和斜波按幅度大小以相應(yīng)高度的縱線表示在相應(yīng)頻

19、率坐標(biāo)上.,音色還與發(fā)聲體振動(dòng)的起振,穩(wěn)定和衰減的時(shí)間過程有關(guān).時(shí)間過程可簡(jiǎn)稱為時(shí)程,或稱為時(shí)間軸上的包絡(luò)形狀.起振階段只在激發(fā)弦或空氣柱使振動(dòng)開始的瞬間,振幅還不大還不穩(wěn)定.例如銅管樂器激發(fā)的時(shí)間40ms,強(qiáng)激發(fā)時(shí)最長(zhǎng)為80ms,但在弱激發(fā)時(shí)最長(zhǎng)可達(dá)180ms.穩(wěn)定階段是振幅增至最大,并保持恒定不變的階段.例如弦樂中的提琴和二胡,管樂的長(zhǎng)笛和小號(hào),而板鼓和梆子等打擊樂則沒有.衰減階段是振幅開始減小至完全停止的階段.例如揚(yáng)琴

20、可達(dá)1-2秒,一般樂器高音短低音長(zhǎng).,風(fēng)琴起振緩慢,短時(shí)間內(nèi)保持一定的穩(wěn)態(tài)聲級(jí),較緩的衰減.鋼琴起振較快,然后逐步衰減.,三、人耳的幾個(gè)效應(yīng)１．遮蔽效應(yīng)由于第一個(gè)聲音的存在而使第二個(gè)聲音提高聽閾的現(xiàn)象,稱為掩蔽效應(yīng). 因此,一個(gè)聲音能被聽到的條件是這個(gè)聲音的聲壓級(jí)不僅要超過聽者的聽閾,而且要超過它所在背景環(huán)境中的掩蔽閾.,２．雞尾酒會(huì)效應(yīng),人們具有從許多聲音中選擇聽到自己要聽的聲音的能力.在許多人相聚的雞尾酒會(huì)中,可以對(duì)特定人

21、的講話聽的最清楚,這種效應(yīng)成為雞尾酒會(huì)效應(yīng).但傳聲器拾音時(shí),不具備人的這種心理選擇,而只能客觀的拾取由其指向性,靈敏度,拾音方式等限定的聲音.因此實(shí)際錄音時(shí),不應(yīng)被聲源的內(nèi)容所吸引,而應(yīng)注意客觀存在的物理聲音.,３．雙耳效應(yīng),用兩只耳朵聽聲與用一只耳朵聽聲,在效果方面有許多不同,這種不同稱為雙耳效應(yīng).雙耳可聽到比單耳時(shí)低3dB的聲音,對(duì)噪音而言不成立.雙耳效應(yīng)最明顯的是對(duì)聲音的定位,由于到達(dá)兩耳的聲音存在聲級(jí)差,時(shí)間差和相位差