《声学基础与常识》PPT课件.ppt
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1、声学基础与常识王传芳/声音三要素声学三要素：音调声学三要素：音调或者叫音高音高（对应频率）、音色音色（对应频谱）、响度响度（对应振幅）。任何复杂的声音都可以用此三个属性来描述音音调：人耳对于声音高低的感觉，称为音调。音调主要与声音的频率有关，同时也与声压级和声音的持续时间有关。音调会随着频率的增大而提高，但不是与频率成完全的线性关系。音调的单位为“美”（Mel），定义40dB1KHz纯音的音调为1000美。需要注意的是，影响音调的因素还有声音的声压级，以及声音的持续时间。低频的纯音，声压级高的时候，要比声压级低的时候搞到音调变低；频率在1KHz5KHz之间的纯音，音调几乎与声压级无关；频率再高
2、的纯音，声压级升高时，会感到音调变高。复音复音（是指由许多纯音组成的声音）的音调由复音中频率最低的声音决定，即由基音决定。复音的声压级高低对于音调的影响要比纯音小很多。当声音持续时间在0.5s以下的时候，要比1s以上感到音调比较低。持续时间再短，为10ms左右的时候，会使得听音人感觉不出它的音调，只能听到“咔咔”的声音。要想使人耳能够明确感觉出音调所必须的声音持续时间，随声音的频率不同而不同。频率低的声音要比频率高的声音需要更长的时间。纯音的音调和频率的关系曲线音色：音色：音色是指人们区别具有相同响度和音调的两个声音的主管感觉。每个人都有自己的独有音色，不同的乐器进行演奏的时候，人们也能区分出
3、它们各自的音色。人在讲话的时候，乐器在演奏的时候，都是复音，是由基频与谐频组成的声音。两个音调相同的声音，它们的基频是相同的，但是谐频的成分与大小可能不同，从而使人们感到其音色不同。所以，音色主音色主要是由声音的频谱决定的要是由声音的频谱决定的。但是需要特别注意的是，音色还与声音的强度、持续时间以及时间过程有关。声音三要素响度：响度：人耳对于声音强弱的感觉，称为响度。声音的响度主要与声压有关，声压越大，响度也就越大。但是，响度与声压并不是成线性比例关系，而是大致与声压的指数成比例关系。响度的这一听觉特性被称为“史蒂文指数定律”。响度是个主观量，是声压的主观量，1kHz时的声压级定义为响度级响度
4、级，单位是“方”。人耳对声音强弱的感觉不是一根线的，当响度级每增加响度级每增加1010方时，我们人耳听到的响度加倍方时，我们人耳听到的响度加倍。人耳听觉特性的研究表明，刺激量（声压）增加为指数方刺激量（声压）增加为指数方式，感觉量（响度级）增加为差数方式式，感觉量（响度级）增加为差数方式。这是耳膜的自动保护机制。声压级声压级是一个物理量，并不完全能反映人对声音强弱的感受，而响度则是心理学中用于衡量衡量这种感受的心理量。具体的定义可以参考维基百科：Loudness。响度级与声压级并非线性关系。响度级的计算模型请参考：ISO/WD 532-1。在ISO-532中描述了两种响度计算方法，两种方法都需
5、要分带计算（将声音的不同频率成分分别考虑），第一种方法是Steven在1956年的论文The Mesurement of Loudness中提出的，是一种并不复杂的计算模型；第二种是Zwicker提出的，大概方法是分频带的查表计算。除此之外，响度还与频率、波形、声音的持续时间相关。响度的频率特性：响度的频率特性：人耳对于不同频率声音的响度感觉是不同的。也就是说，对于频率不同，而强度相同的声音，人耳会感觉到不同的响度。为了说明人耳的响度感觉，定义了响度级。响度级响度级用来表示响度的大小，其单位为“方方”（phonphon），符号为LNLN。定义一个声音的响度级在数值上等于和它定义一个声音的响度级
6、在数值上等于和它同样响的同样响的1KHz1KHz纯音的声压级。纯音的声压级。由此，人们通常通过等响曲线来表示具有相同响度级的纯音声压级随频率变化的特性。可以看到，在不同的频率条件下，响度相同的时候，需要的声压级是不一样的。等响曲线中每条曲线显示不同频率的声压级不相同,但人耳感觉的响度相同。由此可见（我的理解），响度级考虑的是由此可见（我的理解），响度级考虑的是折算人耳的频率特性后的声压级。可以认折算人耳的频率特性后的声压级。可以认为为“方方”与与dBdB的物理意义类似。的物理意义类似。声音三要素响度与持响度与持续时间的关系：的关系：响度除了与声压级、频率等相关因素有关以外，还与声音的持续时间有
7、关。大量的测试结果表明：在100ms200模式的持续时间以内，声音的响度随持续时间的增大而增大。所以，从某种程度上说，听觉是由记忆功能的。以一个57dB、2KHz的纯音测试响度级随着持续时间的变化特性，可以得到响度级和持续时间的关系，如右图所示。当持续时间大于100ms的时候，响度级基本保持在60方；当持续时间小于100ms时，响度级随着持续时间以大约每10倍时间10方的斜率下降：当持续时间从100ms下降到10ms的时候，响度级大约从56方下降到46方。其他频率信号测试结果也类似。所以，当人耳听到一个短促的脉冲声时，如果强度不变，长度由1ms变为2ms，则听起来不是声音的长度变了，而是更响了
8、。因此，当人耳倾听频度超过一定值的一系列脉冲声时，并不能感觉到响度的不连续。这一现象类似于视觉的停留现象。声压级（SPL）声波通过空气传播时，由于振动会导致压强的改变，压强改变量是随时间变化的，实测声压就是压强该变量的有效值，单位是Pa或MPa。声压就是大气压受到扰动后产生的变化，相当于在大气压强上的叠加一个扰动引起的压强变化。由于声压的测量比较容易实现，通过声压的测量也可以间接求得质点速度等其它物理量，所以声学中常用这个物理量来描述声波。表示声压大小的指标称为声压级（SPL，soundpressurelevel），用某声音的声压（p）与基本声压值（p0）之比的常用对数的20倍来表示，即20l
9、gP/P0，单位为dB。标准大气准大气压（Standardatmosphericpressure）：1标准大气压=760mm汞柱=76cm汞柱=1.01325105Pa=1.01105N/如下是声压与声压级之间的换算表格，右边是声压与声压级之间的曲线关系。声压声压级响度级响度为分析声压，响度级以及响度之间的关系，我们通过右上角表格数据绘制了如下曲线。从分析的曲线可以看出，人耳所感受到的响度与物理意义的声压（帕）直接虽然是对数关系，但是其底a没有达到10。听觉的分辨力听觉对于不同频率、不同声压级的信号，其分辨能力是不同的。当这些信号连续或者不连续变化的时候，分辨阈又有所不同。声压级变化存在两种形
10、式，连续变化化（信号连续，声压级连续变化，即幅度连续变化），非非连续变化化（两个不同声压级测试信号之间有短暂的时间间隔，我的理解应该是指声压级的变化不是连续的）。声声压级连续变化化时的声的声压级变化分辨化分辨阈：对于声压级连续变化的信号，声压级变化的分辨阈与声压级大小有关。当声压级较小的时候，分辨阈较大；当声压级逐渐增大的时候，分辨阈会逐渐减小。而且不同的声压级的声音，其声压级变化的分辨阈随频率的变化也会不同。右图可以看到，当声压级在50dB以上的时候，人耳能够分辨的最小声压级变化大约为1dB；当声压级小于40dB的时候，声压级变化需要达到1dB3dB才能察觉出来。对于纯音信号，声压级较小的时
11、候，分辨阈比较大，可以达到3dB7dB；当声压级较大的时候，分辨阈可以达到0.5dB。（我的理解：声压级是物理量声压的对数函数，当声压级小时，增加1dB所导致实际物理量声压的增幅当然小于声压级大是所导致的绝对增量。）由此可见，人们对于声音强弱变化的察觉能力是有限的，相当多的人对同一个声音信号在其声音强弱变化的察觉能力是有限的。相当多的人对同一个声音信号在其声压级突然变大或者变小量小于3dB时是察觉不出来的，只有那些经过专门训练的音乐工作者和录音师才能察觉出1dB2dB的声压级突变。所以，在声频工程中常以3dB这个数值作为某些特性指标，比如频率特性不均匀度的上限。而高质量的声频设备，则常用1dB
12、2dB这个数值来衡量其质量。听觉的分辨力频率率连续变化：化：频率变化也有连续和非连续两种方式。在进行非连续频率分辨阈的测量时，选用听觉较敏感的4Hz调制频率。下图显示的是响度级为60方，调制频率为4Hz时，频率分辨阈随频率变化的特性。在频率低于500Hz的时候，分辨阈基本保持在3.6Hz。当频率高于500Hz时，频率分辨阈几乎随着频率成正比例增大，比例系数为0.007。频率非率非连续变化：化：频率非连续变化的时候，分辨阈分布曲线与频率连续变化的曲线类似。只是频率非连续变化的分辨阈小，约是连续分辨阈的0.33倍。即频率小于500Hz时，分辨阈为1Hz左右；频率大于500Hz时，分辨阈随频率正比例
13、增大，比例系数约0.002。声声压级不不连续变化：化：声压级不连续变化的时候，听觉对于两个不同的声压级声音的分辨阈要小于声压级连续变化的情况。下图反映的是1KHz纯音在连续和非连续的情况下的分辨阈的对比曲线。可以看到，连续变化的分辨阈基本上是非连续变化分辨阈的2.5倍左右。声声压级越大，越大，频率越高，声率越高，声压级不不连续变化，化，这样就更容易就更容易被分辨。被分辨。A加权（A-weighted）A A加加权（A-WeightedA-Weighted）是一种用于音频测量的标准权重曲线，用于反映人耳的响应特性。声压电平源于A加权，用dbA表示，或称为A加权dB电平。A加权是广泛采用的噪声的单
14、值评价指标，可以通过声级计测量得到。由于噪声的测量要反映人耳引起的响度感觉大小，其次，需要充分考虑到人耳的听觉特性。人的耳朵对于不同频段的声音变化敏感程度是不一样的，太高或者太低就越不敏感，就像一个A字，所以叫A-Weighted。A加权的标准是由美国标准协会在20世纪40年代制定，用于描述人耳对于不同频段声音变化敏感程度。此外，还有B加权，C加权，D加权等等。A A加加权是模是模拟人耳人耳对4040方方纯音的响音的响应；B B加加权模模拟的是人耳的是人耳对7070方方纯音的响音的响应；C C加加权模模拟的是的是100100方方纯音的响音的响应；D D加加权主要用于主要用于飞机噪声的机噪声的评
15、价。价。一般规定2455方的噪声测量选择A加权；5585方的噪声测量选用B加权；对85方以上的噪声测量选用C加权。在进行音频功率放大器的噪声测试的时候，一般采用的都是A加权后的数值。可以从手册中看出，在进行输出噪声的电气参数描述的时候，一般会在备注栏写上A-weighted。需要注意的是，虽然A加权测量结果并不是非常令人满意，但是它作为一个传统的计量手段，一直得到广泛的应用。下图是A、B、C、D四种加权的频率响应曲线。如果想要知道一个音源或噪声声压级的大小，通常使用的工具是声级计。其主要参数有：Laeq：等效连续声压级。表示的是测试一段时间内能量不均的声音信号，将其总能量平均分配到测试时间段内
16、，得到的声压级。Lamax：最大声压级。是指在一段时间内测试到的最大的声压级。Lamin：最小声压级。是指在一段时间内测试到的最小的声压级。Ln：累计百分声级。表示大于某一声级的出现概率为N%。比如：L5=70dB，则表示整个测量期间，噪声超过70dB的概率占了5%。W：声功率。表示单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在噪声监测中，声功率是指声源总的声功率。单位为W，一般不能直接测量，而是根据声压级进行换算。常见的一些声源以及对应的声压级大致范围（测试距离1m1.5m）十二平均律&八度音阶律学研究的重点就是声波的频率，一般来说，人耳能听到的声波频率范围是20HZ到20KHZ之
17、间。声波的频率越大，听起来就越“高”。需要特别指出的是，人耳对于声波的频率是指数敏感的，也就是说人耳对音高的感觉主要取决于频率比，而不是频率差。比如220Hz到440Hz的音差，与440Hz到880Hz的音差，一般人认为是一样大的音差。换句话说，某一组声音，如果它们的频率是严格地按照1、2、4、8，即按2n的规律排列的话，它们听起来才是一个“等差音高序列”。我们常用的音频频响曲线的横坐标使用对数刻度，而不用线性刻度，是因为对数刻度更能直观表达人耳的频响感知特性。（并非是因为对数刻度便于表达）。由于人耳对于频率的指数敏感，上面提到的“2就意味着等距离”的关系是音乐中最基本的关系。用音乐术语来说，
18、2就是一个“八度音程八度音程”（octave）。现代人学习的do、re、mi、fa、so、la、si、do的do、re、mi中的do，以及so、la、si后面的那个高音do，这两个do之间就是八度音程的关系。也就是说，高音do的频率是do的两倍。很自然，用do、re、mi写的歌，如果换用高音do、高音re、高音mi来写，听众只会觉得音变高了，旋律本身不会有变化。这种等效性，其实就是“等差音高序列”的直接结果。对于任何民族来说，只要他们有着丰富的音乐体验，只要他们想积累起关于音乐的知识，迟早都会遇到关于律学的问题。令人惊讶的是，古今不同民族，虽然各自钟爱的音乐形式可谓万紫千红、百花争艳，彼此也没
19、有互相借鉴，但大家的律学的基础概念却出奇地相似。所以音乐本身可以超文化、超地域。在西洋乐理中，一个八度，相当于一个频率的倍频程，英文标记为“octave”，简写“OCT”。一个八度音被分为12音阶（半音），这就是国际上著名的音乐律学“音音乐十二平均律十二平均律”。do、re、mi、fa、so、la、si是C大调七个主音C-D-E-F-G-A-B，每个八度之内的这7个基本主音包含5个全音和2个半音。其中E-F和B-C的间隔是一个半音，而七个主音别的间隔都是两个半音，也叫一个全音。即：全、全、半、全、全、全、半。do、re、mi、fa、so、la、si，其实都是中世纪时西方教会中很流行的一些拉丁文
20、圣咏（chant）的首音节。这些圣咏是西方现代音乐的源头。中国古代基本音阶为“宫、商、角、徵、羽”，称为“五音”。“五音”对应西方乐器的音调为“1、2、3、5、6”。标准钢琴琴键有大有小，大的白色琴键是主音，小的黑色琴键是主音升降一个半音后的辅音。一般钢琴是88个琴键，从A0到C8。律学-五度相生律“五度相生律”产生的7声音阶，自诞生之日起就不断被批评。原因之一就是它太复杂了。前面说过，如果按住弦的1/5点或者1/6点，得到的音已经和主音不怎么和谐了，现在居然出现了81/64和243/128这样的比例，这不会太好听吧？于是有人开始对这7个音的频率做点调整，于是就出现了“纯律”（justinto
21、nation）。“纯律”的重点是让各个音尽量与主音和谐起来，也就是说让各个音和主音的频率比尽量简单。“纯律”的发明人是古希腊学者塔壬同（今意大利南部的塔兰托城）的亚理斯托森努斯（AristoxenusofTarentum）。（东方似乎没有人独立提出“纯律”的概念。）此人是亚理士多德的学生，约生活在公元前3世纪。他的学说的重点就是要靠耳朵，而不是靠数学来主导音乐。他的书籍现在留下来的只有残篇，不过可以证实的是他最先提出了所谓“自然音自然音阶”。自然音阶也有7个音，但和“五度相生律”的7声音阶有不小差别。7个自然音自然音阶的频率分别是：F、9/8F、5/4F、4/3F、3/2F、5/3F、15/8
22、F。确实简单多了吧？也确实好听多了。这么简单的比例，就是“纯律律”。可以看出“纯律”不光用到了3/2的比例，还用到了5/4的比例。新的7个频率中和原来不同的就是5/4F、5/3（5/44/3）F、15/8（5/43/2）F。虽然“纯律”的7声音阶比“五度相生律”的7声音阶要好听，数学上也简单，但它本身也有很大的问题。虽然各个音和主音的比例变简单了，但各音之间的关系变复杂了。原来“五度相生律”7声音阶之间只有“全音”和“半音”2种比例关系，现在则出现了3种：9:8（被叫做“大全音”，majortone，就是原来的“全音”）、10:9（被叫做“小全音”，minortone）、16:15（新的“半音
23、”）。各位把自然音阶的频率互相除一下就能得到这个结果。更进一步说，如果比较自然音阶中的re和fa，其频率比是27/32，这也不怎么简单，也不怎么好听呢！所以说“纯律”对“五度相生律”的修正是不彻底的。事实上，“纯律”远没有“五度相生律”流行。律学-自然音阶（纯律）律学-五度相生律（修正）律学-十二平均律 关于“十二平均律”，最后要提的是所谓“大调”、“小调”的问题。自从“五度相生律”提出12音阶以来，12音阶和原来的7音阶之间的关系一直就被人们所研究。也就是说，在原来的7音阶之外，现在人们可以在12音阶中选取其它的7个音来作为音乐的“标尺”了。这可以给作曲家们以更大的创作自由。以C高音C的八度
24、为例，如果我们选择原来的7音阶，即C、D、E、F、G、A、B，这就被称为“大调”（major scale），又因为这个大调的主音是C，所以被称为“C大大调”。而如果我们选择C、D、D#（Eb）、F、G、G#（Ab）、A#（Bb），这就被称为“c小调”（C minor scale）。用小写c的原因是表示这是小调。大调和小调的区别就在于，大调和小调里各音之间的“距离感”不同，以它们为基础来作曲，给听众的感觉也不相同。这就让作曲家有了用音乐表现不同情绪的机会。西方中世纪的音乐理论里，曾经提出了8种不同的方法在12音中选7个音作为基准，其中就包含了我们现在谈的大调和小调。当时的音乐理论给予这8种调性（
25、mode）以不同的感情色彩，比如有的被认为是“悲伤的”，有的被认为是“快乐的”，有的被认为是“朝气蓬勃的”等等。这8种调性中有一些现在已经很少用了，现在最流行的是大调和小调这两种。由于“十二平均律”允许随意转调，这就让作曲家可以更为地自由创作。以前由于各音之间的半音“不等距”的问题，有些调被认为不能写作的，现在也可以毫无阻碍的进行创作了。调式是按照一定关系（高低关系、稳定与不稳定关系等）组织起来的一组音（一般在七个音之内），并以某一个音为中心音（即主音）联结成一个体系，这个体系就叫调式。大大调音音阶由七个基本音级组成。根据大调构成法则，第三、四级（mi和fa）之间、第七八级（si和do）之音的
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