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[科普]聲學基本知識
發布日期:2019-7-8   點擊次數:

1/聲音的產生


聲音是由物體振動引起空氣的波動,傳到耳膜,經過聽覺神經聽到聲音。

聲源:發生聲音的振動源叫作聲源。

聲波:由聲源引起媒質的振動形成聲波。

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聲音在空氣中是以一疏一密的縱波傳播的。為什么叫“縱波”,因為它進行方向和傳播方向一致。


2/聲速與波長


聲波在單位時間內傳播的距離稱為聲速,常用符號“C”表示,單位是米/秒(M/S)。一般來說聲速只和傳播媒質及其狀態有關,在標準大氣壓下和溫度為20°C 時,空氣中的聲速為344 米/秒;15°C 時為340 米/秒,工程計算一般取344 米/秒(因為溫度和濕度對聲速影響比較大,溫度每增加1°C,聲速增加2 英尺)。如果聲波在水中傳播,聲速約為1485 米/秒,在海水中1500 米/秒,在木材中為3320 米/秒,在鋼材中則為5000 米/秒。


聲速在室內聲學設計和擴聲技術中應用很多,一般以毫秒計算,即千分之一秒,1S/1000,簡寫MS。


聲波振動一周所傳播的距離為波長,常用符號“λ”表示,單位是米(M)。聲波的波長與聲速和頻率的關早期反射聲都控制在50MS 以內,在常溫下50MS 所傳播的距離為340M 0.05=17M,要記牢這個數值,它是一個界限,50MS 以內的早期反射聲,有助于加強直達聲。超過50MS 的反射聲會影響清晰度。系如下:


λ=C/f f 為頻率


由此可見,相同條件下,頻率越高,波長越短。例如,常溫空氣中,頻率為20HZ 聲波的波長為17.20米,頻率為5 千赫的聲波波長為0.0688 米。


3/反射、折射和透射


聲音在傳播過程中,遇到墻壁等障礙物時,一部分聲波在分界面處將改變傳播方向返回到原來的媒質中去,而另一部分聲波則以新的傳播方向進入到新的媒質中去,并在新的媒質中繼續向前傳播。這種就是聲波的反射和折射現象。聲波的反射和折射同樣滿足反射和折射定理,聲波在室內的的多次反射是形成混響的主要原因。


聲透射則是指聲波在多層媒質中傳播經歷了分界面的多次折射后,透過中間各層到達最后一種媒質的現象。


4/聲波的衍射和散射


聲波遇到墻壁或其它障礙物時還會在邊角上沿著物體的邊緣而“彎曲”傳播,這種現象被稱為聲繞射(或聲衍射)。研究表明,衍射的程度取決于聲波的波長與障礙物線度的相對大小,即波長對障礙物線度的比值越大,衍射愈強,反之亦然。如果障礙物的線度比波長大許多,雖然還有衍射現象,但是在障礙物的邊緣附近將形成一個明顯的沒有聲波的區域(聲影區)。通常認為物體線度小于λ~5λ時,入射聲波基本上會繞過物體;相當于5λ~10λ時還有一些繞射;接近于30λ時,幾乎完全被遮擋。


圖1、1、1 所示的幾個例子可以幫我們了解聲繞射出現的一些情況。


聲波的繞射現象

圖 1、1、1 聲波的繞射現象


圖 1、1、1 中,障礙物好比是卡拉OK 廳中的一根柱子,會在它后面的客人的視線完全被柱子所遮擋,但仍然可以聽到來自舞臺上的大部分聲音。這是因為波長隨頻率高低而有很大的差異,只有那些頻率較高,波長比柱敢直徑小很多的聲波,才會在柱子后面形成聲影區。例如,坐標在直徑1 米的圓柱后面,對于1700赫(λ=0.2 米)以上的高頻聲波有明顯的遮擋作用。至于大部分頻率較低,波長與柱子直徑接近或大得多的聲波,由于聲繞射現象的存在,柱子幾乎不起遮擋作用。


另一方面,利用柱面反射聲音,只有聲波長小于或者接近柱子直徑的聲波,才會被有效地反射。例如,要使200 赫以上頻率的聲波有效地反射,柱面的尺度至少要1.7 米左右。當然,柱面對聲音的反射程度和它的表面有關,但這里只談尺度關系。


圖 1、1、1 中,障礙物好比一座高大的圍墻,對于波長比圍墻尺寸小得多的聲音,能夠產生明顯的聲影區。當然墻邊上還會出現一些繞射現象,但只限于局部范圍。


和上面情況成對照的是,當聲波通過一個洞孔時往往會產生明顯的衍射現象,洞口好象是一個新的點聲源,如圖1、1、1 所示,這是由于聲波波長比洞孔尺寸大得多的緣故。便是光的波長則要比洞孔尺寸小得多,所以光通過洞孔時是一束光線。當然如果聲波的頻率很高,在通過洞孔時也會出現類似于光束的聲束,它帶有很強的方向性,如圖1、1、1 所示。


聲波在傳播路徑上遇到線度比其波長甚的障礙物時就會產生散射。在有障礙物的聲場中,散射的強弱與障礙物的線度對波長的比值有關。障礙物越大,或波長越短,則散射越強。散射與衍射在本質上是一回事,衍射是指一束聲波會繞到物體背面的現象,而散射是指波束方向會在物體表面散亂。散射對于保證聲場的均勻有重要的作用。


5/聲波干涉


兩個頻率相同、振動方向相同且步調一致的聲源發出的聲波相互迭加時就會出現干涉現象。如果它們的相位相同,兩聲波迭加后其聲壓加強,反之,如果它們的相位相反,兩聲波迭加后便會相互減弱,甚至完全抵消。由于聲波的干涉作用,常使空間的聲場出現固定的分布,形成波腹和波節,即出現我們通常所說的駐波。


造成聲波干涉的條件是經??梢雜齙降?,我們不妨以兩只揚聲器播放同頻率聲音的情況為例來說明:


(1) 當兩只揚聲器在同相位狀態下振動發聲時,由于等距關系,聲波到達兩揚聲器之間中軸線上的各點時總是處在同相位狀態,于是來自兩只揚聲器的聲波在該處相互加強。


(2) 當兩只揚聲器在反相位狀態下振動發聲時,情況正好相反,聲波到達兩揚聲器之間中軸線上的各點時總是處在反相位狀態,于是來自兩只揚聲器的聲波在該處相互抵消,導致兩只揚聲器還不如一只揚聲器響的奇怪現象。


這就告訴我們,連接音箱和功放時一定要保持它們正負極性的一致,否則就會出現上面的第二種情況。


當然,對于立體聲系統而言這樣的結果往往還會導致聲像定位不準,即聲源“飄忽”的感覺。


在廳堂內由于墻壁反射也會出現聲波的干涉現象,例如,從聲源發出的直射波和來自墻壁或平頂的反射波在空間各點要相互干涉。如果它們是績音信號,這種干涉現象必然會引起空間各點聲場的很大差異,有些地方聲波會加強,有些地方聲波會減弱,甚至完全抵消而成“死點”。好在語言和音樂是由許多頻率組成的復合聲,可以有“此起彼伏”,“填平補齊”的效果,使干涉效應不太明顯。但是,由于不同頻率信號所產生的干涉效果不同,即某些頻率的信號是相互加強的,而另一些頻率的信號是相互減弱的,所以常常導致房間傳輸特性的不均勻。


大中型卡拉 OK 尺寸一般比低頻聲的波長還要大許多,形狀也往往不規則,而且廳內又還有許多門窗等形狀不規則的物體,這些都會“打亂”和“破壞”引起干涉的條件,因而干涉現象也步不那么嚴重了。


6/語言和音樂的特性


語言和音樂都是由頻率不同、強度不等的許多聲音分量組成的,它們在發聲過程中不斷地變化著。歌聲和音樂都包含了許多分音(諧波),分音強度的相對關系確定了音色。而樂音的音調則是由這種復音中頻率最低的基音所確定的。此外,描述一個樂音還要有另外一些量,例如顫音、持續時間以及音的建立過程和衰變,它們反映了樂音的瞬態特性。


語言的頻率范圍比較窄,其基音頻率在130~350 赫范圍內,但其分音以及一些非周性諧分量的頻率可達8千赫。歌聲的基頻范圍較寬,從80 赫到11 千赫。在聲音中分成五個聲部,即男低音、男中音、男高音、女低音和女高音;它們的基頻范圍分別為82~294 赫(E2 ~ D4)、110~392 赫(A2 ~ G4)、147~523 赫(D3~ C5)、196~698 赫(G3 ~ F5)和262~1047 赫(C4 ~ C6)。在樂器中管風琴具有最寬的基音范圍,約從16赫延伸到9 千赫。其次是鋼琴,它的基音范圍為27。5~4136 赫。有些樂器,特別是打擊樂器能產生更高頻率的聲音,其余大部分樂器則在16~4 千赫范圍內,但是在低頻端下限實際為30 赫,更低的器樂聲是很少遇到的。民族樂器的基音范圍大約在100~2 千赫之間。因為所有的樂器都要產生高次諧波,所以音樂中有用的頻率范圍大約可以擴展到15 千~20 千赫。此外還應注意,對于音樂而言幾乎所有的頻率范圍都同樣重要,重放音樂時不能抑制或忽略某些頻率范圍。對于音樂重放,一般認為與音質有關的頻率范圍是50~10千赫,而重要的是100~5 千赫。


由于語言和音樂的大小都是隨時變化的,為了描述語言和音樂的瞬時變化范圍,我們引入了動態范圍這一概念。所謂動態范圍就是指聲源發聲的最強值與最弱值之間的幅度差。它是聲源的重要特色之一。

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