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文檔簡介
1、· 第一章 聲音的基本性質(zhì) 一、聲音的產(chǎn)生與傳播 聲音是人耳通過聽覺神經(jīng)對空氣振動的主觀感受。 聲音產(chǎn)生于物體的振動,例如揚聲器的紙盆、撥動的琴弦等等。這些振動的物體稱之為聲源。聲源發(fā)聲后,必須經(jīng)過一定的介質(zhì)才能向外傳播。這種介質(zhì)可以是氣體,也可以是液體和固體。在受到聲源振動的干擾后,介質(zhì)的分子也隨之發(fā)生振動,從而使能量向外傳播。但必須指出,介質(zhì)的分子只是在其未被擾動前的平衡位置附近作來回振動,并沒有隨聲波一起向外移動。介質(zhì)分子的振動傳到人耳時,將引起人耳耳膜的振動,最終通過聽覺神經(jīng)而產(chǎn)生聲音的感覺。例如,揚聲器的紙盆,當(dāng)音圈通過交變電流時就會產(chǎn)生振動。這種振動引起鄰近空氣質(zhì)點疏密狀
2、態(tài)的變化,又隨即沿著介質(zhì)依次傳向較遠的質(zhì)點,最終到達接收者??梢钥闯?,在聲波的傳播過程中,空氣質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相平行,所以聲波是縱波。 揚聲器紙盒就相當(dāng)于上圖中的活塞。 在空氣中,聲音就是振動在空氣中的傳播,我們稱這為聲波。聲波可以在氣體、固體、液體中傳播,但不能在真空中傳播。 二、聲波的頻率、波長與速度 當(dāng)聲波通過彈性介質(zhì)傳播時,介質(zhì)質(zhì)點在其平衡位置附近作來回振動。質(zhì)點完成一次完全振動所經(jīng)歷的時間稱為周期,記為 T,單位是秒(s)。質(zhì)點在1秒內(nèi)完成完全振動的次數(shù)稱為頻率,記作 f,單位為赫茲(Hz),它是周期的倒數(shù),即: f=1
3、/T 介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率即聲源振動的頻率。頻率決定了聲音的音調(diào)。高頻聲音是高音調(diào),低頻聲音是低音調(diào)。人耳能夠聽到的聲波的頻率范圍約在2020000Hz之間。低于20Hz的聲波稱為次聲波,高于20000Hz的稱為超聲波。次聲波與超聲波都不能使人產(chǎn)生聽感覺。 聲波在其傳播途徑上,相鄰兩個同相位質(zhì)點之間的距離稱為波長,記為 ,單位是米(m)?;蛘哒f,波長是聲波在每一次完全振動周期中所傳播的距離。 聲波在彈性介質(zhì)中傳播的速度稱為聲速,記為 v,單位是米/秒(m/s)。聲速不是介質(zhì)質(zhì)點振動的速度,而是質(zhì)點振動狀態(tài)的傳播速度。它的大小與質(zhì)點振動的特性無關(guān)
4、,而與介質(zhì)的彈性、密度以及溫度有關(guān)。20度的空氣中聲速為 344米/秒。 頻率、波長、周期和聲速有如下關(guān)系: c=f 或 c=/T 聲學(xué)測量中常常在某一頻率區(qū)間取特定值進行測量。這個頻率區(qū)間稱之為頻帶(Frequency band)。由上限頻率 f2 和下限頻率 f1 規(guī)定寬帶。f1、f2 間隔可以用頻率比或以2為底的對數(shù)表示,稱為頻程。關(guān)系式: f2=2n f1 當(dāng)n
5、=1時,稱為1/1倍頻程(Octave),即每個頻帶是上限頻率為下限頻率兩倍的頻帶寬度,即f2=2f1。 當(dāng)n=1/3時,稱為1/3倍頻程,即每個頻帶是上限頻率為下限頻率1.26倍的頻帶寬度,即f2=1.26 f1。 為了某種特殊的需要,更窄的頻帶有1/10倍頻程、1/12倍頻程、1/15倍頻程、1/30倍頻程等等。 1/1倍頻程對應(yīng)于音樂上的一個八度。在房屋建筑中,頻率為100-10000Hz的聲音很重要。它們的波長范圍相當(dāng)于3.4-0034m。這個波長范圍與建筑內(nèi)部的一些部件尺度相近,故在處理一些建筑聲學(xué)問題時,
6、對這一xxx的聲波尤其要引起重視。 三、聲功率級、聲強級和聲壓級 聲功率級: 聲功率是指聲源在單位時間內(nèi)向外輻射的聲能,用W表示,單位為瓦(W)或微瓦(uW)。為了計算方便,通常用一個聲功率基準(zhǔn)量10-12W作參考量,把聲功率與之相比取常用對數(shù),乘以10,稱為聲功率級,即 Lw=10lg(W/Wo) 這里L(fēng)w為聲功率級(dB),W為聲功率,Wo為基準(zhǔn)聲功率。 聲強級:
7、; 單位時間內(nèi)通過垂直于聲傳播方向的面積S (m2)的平均聲能量稱為平均聲能量流或平均聲能通量。單位面積上的平均聲能通量就稱為聲強,記為 I (W/m2)。為了計算方便,通常用一個聲強基準(zhǔn)量值10-12W/m2作參考量,把聲強與之相比取常用對數(shù),乘以20,稱為聲強級,即 Li=10lg(I/Io) 這里L(fēng)i為聲強級(dB),I為聲強(W/m2),Io為基準(zhǔn)聲強。 聲壓級(SPL): 聲波在媒介中傳播時,媒介某點由于受
8、聲波擾動后壓強超過原先靜壓力的值,取均方根后的值稱為聲壓。人耳在最低聞閥到痛閥之間相差100萬倍,為了計量方便,把聲壓基準(zhǔn)值20×10-6 (N/m2)作參考量,把聲壓與之相比取常用對數(shù),乘以20,稱為聲壓級,即 Lp=20lo(P/Po) 這里L(fēng)p為聲壓級(dB),P為聲壓(N/m2或Pa),Po為基準(zhǔn)聲壓。 四、聲波的反射、擴散、衍射與干涉 1聲波的鏡像反射 聲波在前進過程中,如果遇到尺寸大于波長的界面,則聲波將被反射。入射角等于反射角。反射的聲能與界面
9、的吸聲系數(shù)有關(guān)。 2聲波的擴散反射 聲波在傳播的過程中,如果遇到一些凸形的界面,就會被分解成許多較小的反射聲波,并且使傳播的立體角擴大,這種現(xiàn)象稱之為擴散反射。適當(dāng)?shù)穆暡〝U散反射,可以促進聲音分布均勻,并可防止一些聲學(xué)缺陷的出現(xiàn)。 從上圖中可看出,要設(shè)計一個好的擴散體必須要考慮它的大小和密度。 3、聲波的衍射 當(dāng)聲波波長小于等于障礙物的尺寸時,會繞過去,稱為衍射。 4、聲波的干涉 頻率相同的聲波相遇后會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,相位相同的聲波疊加后,幅度倍增,相位相反則抵消。聲
10、波干涉的結(jié)果造成頻率響應(yīng)特性出現(xiàn)峰和谷的波動,其形狀象“梳子”,因此又稱為梳狀濾波器特性(效應(yīng))。直達聲和反射聲來自同一聲源,因而頻率相同,由于經(jīng)過的路徑長短不同,就會產(chǎn)生相位差,從而會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 五、聲波的吸收與透射 當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)時,聲能的一部分被反射;一部分透過物體繼續(xù)傳播,稱為透射;另一部分由于物體的振動或聲音在物體內(nèi)部傳播時介質(zhì)的磨擦或熱傳導(dǎo)而被損耗,稱為材料的吸收。 透射聲能與入射聲能之比稱為透射系數(shù) 。 反射聲能與入射聲能之比稱為反射系數(shù) 。
11、 通常將值小的材料用作隔聲材料,將 值小的材料用作吸聲材料。 定義吸聲系數(shù) =1-。 =0,入射聲能全部被反射;=1時,入射聲能全部被吸收。敝開的窗戶吸聲系數(shù)為1。 吸聲系數(shù)的大小與頻率相關(guān),通常我們所說的吸聲系數(shù)是平均吸聲系數(shù)。第二章 室內(nèi)聲場一、自由聲場與室外聲場 傳播聲波的空間稱為聲場,聲場分自由聲場、擴散聲場(混響聲場)和半自由聲場。 所謂自由聲場,即在聲波傳播的空間中無反射面,聲源在該聲場中發(fā)聲,在聲場中的任一點只有直達聲,無反射聲。消聲室就是
12、人造的自由聲場。電聲設(shè)備的都要在消聲室中進行。 在室外,某點聲源發(fā)出的球面聲波,其波陣面連續(xù)向外擴張,隨著聲波與聲源距離的增加,聲能迅速衰減。當(dāng)點聲源向沒有反射面的自由空間輻射聲能時,聲波以球面波的形式輻射。這時,任何一點上的聲強遵循與距離平方成反比的定律。如果用聲壓級表示,則距離增加一倍,聲壓級衰減 6dB。 二、室內(nèi)聲場 在室內(nèi),聲波在封閉空間中的傳播及其特性比在露天場合要復(fù)雜得多。這時,聲波將受到封閉空間各個界面,如頂棚、地面、墻壁等的反射、吸收與透射。室內(nèi)聲場因而存在著許多與自由聲場不同的聲學(xué)問題。研究室內(nèi)聲場,對室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計和噪聲控
13、制具有重要的意義。 室內(nèi)聲場的特點 (1)聲波在各個界面引起一系列的反射,吸收與透射; (2)與自由聲場有不同的音質(zhì); (3)由于房間的共振可能引起某些頻率的聲音被加強或減弱; (4)聲能的空間分布發(fā)生了變化。 三、房間共振(駐波) 當(dāng)聲波在兩面平等的墻之間傳播時,如果墻面之間的距離等于半波長的整數(shù)倍時,就會產(chǎn)生駐波。房間中的低頻駐波也稱為房間模式(Room Mode)。 在一房間中,空氣
14、振動的共振頻率主要由房間的大小來決定。而房間內(nèi)所激發(fā)的共振頻率的分布則決定于房間的比例。共振頻率的計算很復(fù)雜,一般都用軟件來計算。 消除駐波的最佳方法是改變房間的形狀,使墻面不平行,或?qū)Τ勺龀苫⌒巍?#160; 四、混響與回聲 混響是室內(nèi)的聲學(xué)現(xiàn)象。聲音由聲源發(fā)出后,在空氣中傳播,傳播過程中在房間的界面上產(chǎn)生反射、吸收、擴散、透射、干涉和衍射等波動作用,形成復(fù)雜的室內(nèi)聲場,使人產(chǎn)生混響感。聲源停止發(fā)聲后,室內(nèi)聲場會持續(xù)一段時間。 混響是室內(nèi)聲反射和聲擴散共同作用的結(jié)果。同樣是源于反射,但由于人耳的聽聞
15、特性,混響和回聲有明顯的不同。 聲源的直達聲和近次反射聲相繼到達人耳,延遲時間小于30ms時,一般人耳不能區(qū)分出來,僅能覺察到音色和響度的變化,人們感覺到混響。但當(dāng)兩個相繼到達的聲音時差超過50ms時(相當(dāng)于直達聲與反射聲之間的聲程差大于17m),人耳能分辯出來自不同方向的兩個獨立的聲音,這時有可能出現(xiàn)回聲。回聲的感覺會妨礙音樂和語言的清晰度(可懂度),要避免。 五、混響時間 當(dāng)室內(nèi)聲場達到穩(wěn)態(tài),聲源停止發(fā)聲后,聲壓級降低60dB所需要的時間稱為混響時間,記作T60或RT,單位是秒(s)。
16、混響時間是目前音質(zhì)設(shè)計中能定量估算的重要評價指標(biāo)。 它直接影響廳堂音質(zhì)的效果。房間的混響長短是由它的吸音量和體積大小所決定的,體積大且吸音量小的房間,混響時間長,吸音量大且體積小的房間,混響時間就短?;祉憰r間過短,聲音發(fā)干,枯燥無味,不親切自然;混響時間過長,會使聲音含混不清;合適時聲音圓潤動聽。 Sabine公式,適用于小于0.2的較活 躍的房間: 式中:V為房間容積 ,單位為m3(立方米);S為房間表面積 的總和,單位為m2(平方米);為房間表面積的平均吸聲系數(shù),
17、百分率;S的單位為m2 (平方 米)。K為與濕度有關(guān)的常數(shù),一般取K=0.161s/m。 Eyring公式,適用于大于0.2的建聲條件良好的房間: 式中4mV為空氣系數(shù) 系數(shù)值,m為空氣吸聲系數(shù),(它不但與 頻率有關(guān),還與溫度和溫度有關(guān))。其它與上式一樣。 混響時間的大小與頻率相關(guān),低頻、中頻、高頻的混響時間是不一樣的。一般所說的混響時間都是指平均混響時間。 六、臨
18、界距離(Critical Distance) 就是在聲源軸線方向上,直達聲與混響聲聲能相等處的距離。臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的?;芈曉綇姷姆块g臨界距離越近,吸音越強的房間,臨界距離越遠。(臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的)。 好的聲學(xué)設(shè)計,臨界距離要離聲源盡可能遠,結(jié)果在全頻帶內(nèi)混響最小最平坦。直達聲從揚聲器系統(tǒng)開始遞補減,是距離的函數(shù)(平方反比定律),但混響恒定地散布房間(新的聲音不斷從揚聲器發(fā)出,混響不斷建立,直到新的聲音與被吸收的聲音相等,因此混響保持恒定。) 兩曲線的交點就是臨界距離。 最佳聽音區(qū)一定位于臨界距離內(nèi)
19、,因為臨界距離是以直達聲為主,清晰度和聲像定位最好。 房間無吸聲時的臨界距離距聲源很近,這種房間只適合近聲場聽音。 在吸聲的房間中,臨界距離被推向后墻,使最佳聽音區(qū)變寬。上圖中,附加的好處是漏到室外的聲壓降低了20dB,降低了對隔音的要求。 當(dāng)混響聲比直達聲大 12db 以上,聲音清晰度將全部失去。 尋找臨界距離的最簡單方法為:用音響系統(tǒng)播放壓縮的流行音樂,開始用一個音箱(左或右),在房間里來回地走,很容易就能找到臨界距離。用另一個音箱重復(fù)一遍,再同時用兩個音箱重復(fù)一遍。與聲學(xué)測量相比較,你
20、會對人耳的精確性感到驚訝。 混響越強的房間臨界距離越近。 吸聲越強的房間臨界距離越遠。 近聲場或直達聲場在臨界距離內(nèi)。 遠聲場或反射聲場(混響)在臨界距離外。第三章 聽音室的基本要求 聽音室的設(shè)計要遵循一些基本的原則: 一、選擇合適的房間比例、或使墻面不平行、或增加擴散,避免或減輕駐波的影響。 二、混響時間合適,使臨界距離盡可能遠。 三、吸收一次反射聲,減輕一次反射聲對直達聲的干涉。
21、60; 四、盡量吸聲,如不能使吸聲達到要求,則盡量對反射聲進行擴散,使聲場盡量均勻。 一個簡單的聲學(xué)處理實例如下:縱波.gif (46.42 KB)2008-9-29 09:08 PM聲波波形.gif (36.62 KB)2008-9-29 09:08 PMreflector.gif (4.08 KB)2008-9-29 09:08 PM波的干擾-駐波.gif (97.26 KB)2008-9-29 09:08 PM反射、吸收與擴散.gif (13.11 KB)2008-9-29 09:08 PM聲場.gif (27.35 KB)2008-9-29 09
22、:08 PM三維房間模式.jpg (28.16 KB)2008-9-29 09:08 PMa04_T60.gif (2.79 KB)2008-9-29 09:08 PM臨界距離.gif (3.09 KB)2008-9-29 09:08 PM無吸聲時臨界距離.gif (7.8 KB)2008-9-29 09:08 PM有吸聲時臨界距離.gif (7.98 KB)2008-9-29 09:08 PM最佳混響.gif (18.06 KB)2008-9-29 09:08 PM典型聽音室.gif (8.25 KB)2008-9-29 09:08 PM簡單聲學(xué)處理.gif (6.62 KB)2008-9-29 09:08 PM音箱的擺位與聲學(xué)很多燒友都廢盡心思反復(fù)調(diào)整自己音箱的擺位,以期得到最佳的重放效果。有時效果很好,有時沒有效果,有時甚至適得其反。那么,這里面究竟包含著哪些聲學(xué)道理呢,今天就想與大家探討探討。 這是聲音二次反射的結(jié)果,在沒有進行有效的聲學(xué)治理前,二次反射的影響是不可避免的,調(diào)整音箱的擺位就是讓它的影響盡可能小。 一、調(diào)整音箱離側(cè)墻的距離
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