声音和听觉.ppt

一、声音一、声音 1、声音的发生和传播、声音的发生和传播 声速、频率、波长和相位声速、频率、波长和相位 2、纯音、复音和声谱、纯音、复音和声谱 3、声波的叠加和干涉、声波的叠加和干涉 二、听觉二、听觉 1、声音的、声音的“大大/小小”声压和声压级声压和声压级 响度和频率计权声级响度和频率计权声级 2、音调和倍频程、音调和倍频程 3、音色、音色 4、掩蔽效应、掩蔽效应 5、哈斯效应、哈斯效应三、厅堂声学特性简介三、厅堂声学特性简介 1、声音的反射、折射和吸收、声音的反射、折射和吸收 2、混响、混响 混响时间混响时间 混响半径混响半径 3、传输频率特性、传输频率特性 4、本底噪声、本底噪声声声 音音 和和 听听 觉觉声音声音1、声音的发生和传播、声音的发生和传播声音是由机械振动产生的但振动频率须在2020000 Hz之间才能形成可闻声声音须在媒质中才能传播以声波的方式传播声音声音声速、频率、波长和相位声速、频率、波长和相位密度/压强距离（m）波长（m）每秒钟振动的次数叫频率频率 f（Hz）每秒钟传播的距离叫声速声速 v（m/s）空气中的声速约为声速约为 v=340（m/s）波长、频率、声速的关系为 =v v /f f（m）可闻声的最长声波 17m（20 Hz时）可闻声的最短声波 0.017m（20 kHz时）相位（度）0o相+90o相-90o相180o相声声音音2、纯音、复音和声谱、纯音、复音和声谱（声音的频谱）（声音的频谱）由单一频率的振动形成的声音叫纯音纯音，例如1000Hz的机械振动便会产生1000Hz的纯音。这个纯音可以用两种图形来描述：波形图f(Hz)p1000声谱图由多个频率的复合振动形成的声音叫复音复音，例如一个以200Hz为基频基频的非正弦振动：0 1 2 3 4 5 t(ms)0 5 10 15 t(ms)f(Hz)200400600p这个复音实际上是由200Hz、400Hz、600Hz三个复合振动形成的声声音音普通话-示意图400 800 1k 2k 4k f(Hz)3、声波的叠加、声波的叠加同相相加-互相加强反相相加-互相抵消注意：注意：两个频率相同的声音叠加，声音可能增强，也可能减弱。须由它们的相位差相位差来决定。事实上，这里只考虑了最简单的情况。当两个相同的声音、从不同的方向（不同的扬声器）传来，在空间叠加，会出现十分复杂的干涉干涉现象。声声音音干涉干涉相位相位“有规有规”的声波叠加出现梳状效应的声波叠加出现梳状效应声音增强声音增强声音减弱声音增强声音增强声音减弱声音增强声音增强声音减弱声音增强声音增强声声音音避免干涉避免干涉分片覆盖延时“接力”集中供声S延迟时间=S/V=S/340声声音音听觉听觉1、声压、声压声压声压声音在媒质中引起的附加压强声音在媒质中引起的附加压强符号符号P P，单位帕（单位帕（P Pa a）或微巴（）或微巴（barbar）1 1P Pa a=10 =10 bar bar 在其他条件相同的情况下，声压越大的声音，其功率（与声压的平方成比例）也越大，听起来也越响。仅可听闻的1kHz声音的声压约 2010-6-6 Pa a 即百万分之二十帕 震耳欲聋的声压约 20 Pa a仅可听闻的声压同震耳欲聋的声压相差约1百万倍。但人的听觉并不与此成比例。大概只觉得相差百余倍。所以直接用声压或声功率来描述声音的强弱，与感觉不符。听听觉觉声压级声压级实验证明，声功率增至2倍，感觉声音增加3分；声功率增至10倍，感觉声音增加10分；声功率增至100、1000、10000倍，感觉声音增加20分、30分、40分。这种规律恰好同数学中的“对数”相符。lg 2=0.3 lg 10=1、lg 100=2、lg 1000=32倍/3分 10倍/10分 100倍/20分 1000倍/30分、因此引入声压级声压级的概念，级级水平（水平（LLevel)符号 SPL/单位为 贝尔贝尔 Bel；细分十份，称 分贝分贝 dB.1B=10 dBL=10 lg(P/P0)2 =20 lg(P/P0)dB P0 闻域声压闻域声压 即 2010-6 Pa 仅可听闻的 声压级声压级 为 L=20 lg(2010-6/P0)=20 lg(2010-6/2010-6)=0 dB 震耳欲聋的 声压级声压级 为 L=20 lg(20/P0)=120 dB 听听觉觉几种有代表性的声压级几种有代表性的声压级声压级声压级可以用“声级计”测量，单位是分贝分贝（dB）。0 dB表示仅可听闻的声音，120 dB会使耳朵发痛。安静环境的本底噪音约为50 dB。面对面说话约 6070 dB。电影对白约 80 dB。迪厅音响约110 dB。喷汽式飞机起飞现场约140 dB。听听觉觉我们对声音的响度感觉，不仅同声音的声压级有关，而且同声音的频率有关。首先，声压级在0dB以下的声音是“不响的”；120 dB以上的声音响得耳朵发痛。但是，低于20Hz和高于20 kHz的“声音”，无论声压级多高，也是“不响的”！我们的耳朵对13kHz的声音最敏感而对低频声和高频声都比较迟钝，尤其是在声压级不大时。为了建立基准，规定1kHz/0dB 1kHz/0dB 声压级所形成的声压级所形成的响度响度为为 0 0 方方。等响曲线描述了响度-声压级-频率之间的关系为使一个声波的声压级接近人耳的响度感觉，须对声波中的各种分量“加权/或计权”处理。例如 111，三个都是1，但它们的“权”不同。最高位的1表示100，最低位的1表示1个有两种常用的计权：A A计权和计权和C C计权。计权。A计权适用于测量声压级低（70dB以下）的信号，例如本底噪声。C计权适用于测量声压级较高的信号（80dB以上）。当没有特别声明时，就是不计权（平直/线性）。计权声级计权声级听听觉觉声压级的工程计算声压级的工程计算所有音响工程（包括所有音响工程（包括PA）都要求声场应达到一定的声压级）都要求声场应达到一定的声压级为此，必须正确配置扬声器选用合适的扬声器、馈给适当的声频电功率、把扬声器（或扬声器群组）安装在合适的地方听音点声压级听音点声压级(L)的计算公式的计算公式（自由空间点声源）L=S+10 lg P 20 lg r=LM 20 lg r式中 S-扬声器灵敏度 P-馈给扬声器的功率r-扬声器与听音点的距离 LM-扬声器的最大声压级满功率1m 5m 10m 20m 30m 50m 100m 150m 200m LM -14dB -20dB -26dB-30dB -34dB -40dB -44dB -46dB 听听觉觉听音点声压级听音点声压级L/距离距离S/扬声器最大声压级扬声器最大声压级LM的关系的关系5m10m20m30m5m100m80dB94100106110 11412083dB9710310911311712386dB10010611211612012690dB104110116120124130LM（dB）LS2、音调和倍频程、音调和倍频程基频决定音调，频率每升高一倍（称为基频决定音调，频率每升高一倍（称为1个个“倍频程倍频程oct”），），音阶升高音阶升高8度。所以，声谱的频率轴刻度不是度。所以，声谱的频率轴刻度不是“线性线性”的，而是的，而是按按“倍频程倍频程”划分的。划分的。再分细一点，可以是再分细一点，可以是1/2 oct、1/3 oct、1/12 oct 等。等。比较常用的是比较常用的是1/3 oct，其频点是，其频点是(Hz)：20,25,31.5,40,50,6 3,80,100,125,160,200,250,315,400,500,630,800,1k,1.25k,1.6 k,2k,2.5k,3.15k,4k,5k,6.3k,8k,10k,12.5k,16k,20k.声声压压级级dB1009080706050-63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 16k频率（频率（Hz）听听觉觉例如右侧所示的声谱图频率轴是按1个倍频程刻度3、音色、音色短笛标准音-示意图400 800 1.6k f(Hz)钢琴标准音-示意图400 800 1.6k f(Hz)声谱声谱 的泛音结构决定音色。的泛音结构决定音色。听听觉觉4、掩蔽效应、掩蔽效应听听觉觉1.频域掩蔽频域掩蔽一个强纯音会掩蔽在其频率附近同时发声的弱纯音，这种特性称为频域掩蔽，例如 300Hz/60dB的声音，掩蔽了150Hz/40dB的声音。又如，1000Hz/60dB的纯音，掩蔽了另外一个1100Hz/42 dB的纯音，一般来说，弱纯音的频率离强纯音越近就越容易被掩蔽。2.时域掩蔽时域掩蔽在时间上相邻的声音之间也有掩蔽现象，并且称为时域掩蔽。在一个强音前大约520ms或后50200ms的弱音会被掩蔽。3.掩蔽效应的利用掩蔽效应的利用 压缩声音文件 如MP3 用增大信噪比（12dB）的办法提高扩声效果，如：抑制 环境/本地噪声；加强直达声抑制混响声5、哈斯、哈斯（HAAS）效应效应听听觉觉两个同样的声音先后到达听音者耳朵，听觉感受可能有两个同样的声音先后到达听音者耳朵，听觉感受可能有3种情况：种情况：1、若一个声音比另一个先到3 30ms，会感到是一个延长了的声音，来自先到的那个声音的方向，迟到的声音好象不存在，即使迟到的声音高10dB。2、如果两个声音有3050ms时差，听音者会感到存在两个声音，但方向仍由先到达的决定。3、若两个声音时差超过50ms，则能清楚地分辨两个不同方向的声音。所以两个音箱相距大于17m（340m/s 50ms）前后摆设时，会感到声音重叠。哈斯效应的利用哈斯效应的利用拉声像拉声像 当集中供声时，主音箱（群组）通常设在舞台上方正中。但听众会觉得声音从空中来。为了把声像“拉拉”下来，可在舞台两侧加一对音箱（双声道）。补声补声 扩声服务区远处声音不足，可增加延时音箱（补声比直达声迟到3 30ms）。即所谓“先入为主先入为主“效应人耳总是根据首先到达的声波来定位声源所在厅堂厅堂1、声波的折射、反射和吸收、声波的折射、反射和吸收厅厅堂堂2、混响和混响时间、混响和混响时间 混响现象厅厅堂堂混响时间混响时间声级时间（s）0dB-60dB混响时间混响时间0直达声延迟反射声束RT60厅厅堂堂混响半径混响半径混响半径直达声混响声在混响半径以内，直达声的能量混响声的能量声音的清晰度是有保障的厅厅堂堂混响时间粗测混响时间粗测 混响时间的粗略测量（一般工程常用的方法）舞台窄带粉红噪声源125、250、500、1000、2000、4000Hz实时分析仪信噪比大于35dB厅厅堂堂3、传输频率特性、传输频率特性厅堂各点稳态声压级相对于扩声设备信号输入电平的幅频响应叫做厅堂的传输频率特性传输频率特性。由于厅堂对频率不同的声音的反射和吸收各不相同，所以尽管声源的声级不变而仅仅改变频率时，厅堂中各点的声级会是不同的。这种现象叫做传输频率特性不平直。我们当然希望它平直！不平直时可使用均衡器予以补偿（室内）。粉噪信号f扩声机ff厅厅堂堂4、本底噪声、本底噪声空调、灯光、电声设备全打开但不加信号，这时厅堂的噪声（包括外面传入的噪声）声级计厅厅堂堂谢谢