第一章：声波的传播特性及人耳的听觉.doc

第一章 声波的传播特性及听觉特性 第一节 声波的传播特性 声波是由物体振动产生的，当振动在一定的频率和强度范围内时，人耳就可听到。振动发声的物体称为声源，有声波传播的空间称为声场。当声源在空气中发声时，媒质质点在平衡位置附近作往复振动，媒质中振动着的质点的位移会作用到相邻质点，使后者也产生振动，于是，振动形成波动，在空间传播开来，在声源周围形成疏密交替的空气压力波，称为声波。 0声波在15C时，大约以340m/s的速度由声源向外传播。气体中的声波属于纵波，即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上。 在传播过程中不受反射而向前行进的声波，称为行波。在某一时刻，空间行波相位相同各点的轨迹曲面称为波阵面，也称为波前。波阵面为平面的声波称为平面声波。 尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球面扩展的，波阵面为球面，称为球面声波。这种声源称为点声源。现实中的声源，即使具有一定尺寸，但在距离与声源尺寸相比充分远时，也可将它看作点声源，在这样的距离处得到球面声波。当距离远到一定程度时，波阵面即与平面声波的波阵面相接近，可看作平面声波。 声能从声源沿波阵面的法线方向传播的路径称为声线，在各向同性的媒质中，声线是代表声波的传播方向。例如球面声波的声线就是球面的半径线。 声波的瞬时状态可用声压、媒质质点振速和媒质密度中的任何一个来描述。 (1)声压:有声波存在时，在静态大气压强上叠加的变化分量称为声压。 (2)质点振速:有声波存在时，媒质质点的振动速度。单位为m/s。 (3)媒质密度:单位体积内的媒质质量称为媒质密度。有声波存在时，媒质密度要 3产生稠密稀疏的变化。单位为kg/m。 一、 声波的反射 声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波波长的坚硬界面，会产生反射。声波从界面反射的角度与声波入射到界面的角度相等，即反射角等于入射角。反射的声波如同从界面后面与声源相对应位置处发射出来的一样，即如同在该位置处有一声源，称为虚声源，也称为镜像声源，它与界面的距离等于声源与界面的距离，如图1-1所示。 图1-1 声波的反射 当声源在一个凹界面前，声波会产生聚焦，如图1-2所示。对于播音室来说，为了声音良好扩散，应避免凹界面。 1 图1-2 声波在凹界面前的聚焦 当声源在一个凸界面前，声波会产生扩散，如图1-3所示。播音室中经常采用凸面结构，以增加声波的扩散，使声能密度均匀。 图1-3 声波在凸界面前的扩散 二、声波的干涉 由几个声源产生的声波，同时在同一媒质中传播时，如果这几个声波在某点相遇，在相遇处媒质质点的振动将是各个声波所引起的分振动形成的合振动，质点在某一时刻的位移是各个声波在这一点所引起的分位移的矢量和，这就是声波的叠加原理。也就是说，每个声波都独立地保持自己的原有特性(如频率、波长、振动方向等)。因而，几种乐器同时演奏或几个人同时说话时，我们也能分辨出各种乐器和各个人的声音。 两个声波传到媒质中的一点时，如果两声波在该点产生的振动是同相的，则这点的振动会加强;如果两声波在该点产生的振动是反相的，则该点的振动就会互相减弱或抵消。 当两个频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的声源所发出的声波叠加时，会使某些点的振动加强，某些点的振动减弱，甚至被抵消而不振动，这种现象称为声波的干涉现象。产生干涉的声波称为相干声波，相应的声源称为相干声源。 当一个声源处于两个具有很小吸声性能的平行界面之间时，垂直入射的声波与反射声波会产生干涉现象，干涉的结果在空间形成振幅分布恒定不变的振动，称为驻波。 两个频率相近，强度相差不多的声波相遇时，由于两者间的相位差时刻在变化而使叠加后的声波振幅作周期性变化，合成的声波会在时间上有强弱变化，这种现象称为拍。振幅变化的频率等于原来两个频率之差，称为拍频。 三、声波的衍射和绕射 由于媒质中的障碍物或其他不连续性而引起声波波阵面畸变称为衍射(或绕射)。 如图1-4所示，当声波在传播过程中遇到有小孔的大障碍物时，如果小孔宽度大于声波波长，声波将从小孔穿过向前传播;如果小孔宽度小于声波波长，则在障碍物另一侧的声波有如一个以小孔为中心的新的声源发射的声波。当声波的波长远大于障碍物尺寸时，声波可绕过障碍物向前前进;当声波的波长小于障碍物尺寸时，声波会被反射一部分，障碍物后面会形成一无声区。 2 图1-4 声波的衍射和绕射 (a) 小孔宽度大于声波波长 (b)声波波长小于障碍物尺寸 (c)小孔宽度小于声波波长 (d)声波波长大于障碍物尺寸 四、声强 声波的强度可以用声压幅度来表示。如果声源是一个点声源，在距声波不太远的范围内，声波的波前为球面，声压幅度将与距离平方成反比。如果声源很大，或离开声源很远，则声波波前为平面，声压幅度就不随距离远近而变化，而是保持一个恒定大小。在实际中，由于空气对声波的吸收，声波的能量会逐步损失，直至使声压幅度降为零。 22声波的强度用声强(I)来表示，单位为W/m(瓦/米)。与声波传播方向垂直的单位面积上单位时间内通过的声能称为声强，即通过与声波传播方向垂直的单位面积上的声功率。 第二节 人耳的听觉 一、人耳的听觉器官 图1-5为人耳的剖面图。它分为外耳、中耳和内耳三个部分。 图1-5 人耳的剖面图 1(外耳 由耳廓(耳壳)和外耳道组成。耳廓起收集和向外耳道反射声音的作用，外耳道将声 3 音传送给中耳。外耳道的自然谐振频率约为3400Hz，由于外耳道的共鸣，以及人头对声音产生的反射和衍射，人耳对2-4kHz的声音感觉约可提高15-20dB。 2(中耳 由鼓膜和三块听小骨组成。鼓膜是一个漏斗状薄膜，声波激励鼓膜振动，并将振动传给三块听小骨。听小骨具有一些非线性，使人们对一个频率的声音能产生出它的谐音的感觉。 中耳的腔室里充满空气，并且通过一根平衡管与喉头相连，使作用于鼓膜两边的压力能够平衡。这个平衡管称为耳咽管。 3(内耳 由三个半规管和耳蜗组成。耳蜗呈螺旋形，状似蜗牛，是一骨质腔体，内部充满淋巴液。耳蜗沿其长度被基底膜分为两部分，分别称为前庭阶和鼓阶。在基底膜上分布有大量毛细胞，每根毛细胞上都连有末梢神经。 人耳听声的详细过程如下:声音通过耳廓和外耳道到达鼓膜，使鼓膜产生相应的振动。鼓膜的振动经类似杠杆系统的三个听小骨放大后，传到耳蜗的卵形窗，并传递给耳蜗内的淋巴液。耳蜗通过大约4000根神经末梢与大脑相连。 耳蜗是一个选频器官。高频声音激励靠近卵形窗的神经末梢;中频声音激励中部的神经末梢;末端的神经末梢则被低频声音激励。当耳蜗的某个范围被相应频率的声波激励时，这个部位的毛细胞就会使相连的神经末梢发出电脉冲，并将电脉冲传给大脑。每单位时间的脉冲数取决于声音的强度。声音越强，毛细胞受到的激励越厉害，单位时间内传给大脑的电脉冲数就越多。因此，耳蜗是个很好的声音分析仪，它能从一个复合的声音中分辨出各个频率。 用人耳辨别声音的音调，只需听到振动的几个周期就能分辨得一清二楚。在听觉范围内人耳能认定和区分大约1500种不同的音调。 二、人耳对声音的感受 人耳对声音的感受，在频率及声压级方面都有一定的范围，在这个范围外的声音人耳是感觉不到的。人耳能感受的声音频率范围因人而异，也随听音人的年龄而不同。人耳的可听频率范围为20Hz-20kHz，这个范围以外的声音，无论声压级多高，人耳都听不到。高于20kHz的声音称为超声;低于20Hz的声音称为次声。年轻人可以听到高频上限的声音，超过20岁后，可听到的频率上限会逐渐下降。 声音是一种物理现象，人耳听到声音后对声音的感受却是一种心理现象，首先应弄清楚人耳的主观感受与声音的物理量之间的关系。通常将人耳对声音的三种主观感受，即响度、音调和音色称为声音三要素。可以认为，响度主要与声音的振动幅度有关;音调主要与声音的振动频率有关;音色主要与声音的振动频谱有关。 1(响度 人耳对声音强弱的感觉称为响度。人耳对声音响度的感觉与声压级和频率有关，将人耳在听到不同频率纯音(正弦波)时，对所有具有相同音量感的声压用一条曲线表示后所得到的曲线族，叫等响曲线，如图1-6所示。图中每条曲线上所代表的与声压级、频率相对应的声音，人耳听来都是同样响的，也可理解为对于不同频率的声音，人耳听到同样响度时所需的声压级不同。例如，以1kHz、60dB的声音为基准，人耳听到与它等响的100Hz声音SPL 所需声压级为68dB，对20Hz声音需100dB，对4kHz声音则需51dB。将1kHz声音以SPLSPLSPLdB表示的声压级定义为响度级，单位为phon(方)。 4 图1-6 鲁宾逊-达特逊的等响曲线 0phon以下的声音，人耳是听不见的，所以0phon曲线可称为听阈;120phon以上的声音会使人耳感到疼痛，所以120phon曲线可称为痛阈。 分析等响曲线可得出以下特点: (1)人耳对不同频率声音的灵敏度不同，对中频段最为敏感，对高、低频段的敏感 度下降。 (2)从听阈曲线可看出，4kHz左右是曲线的最低点，即人耳听到4kHz左右声音所需 的声压级最小，因而对4kHz左右的声音最为敏感，这是由于外耳道共鸣所引起 的。 (3)声音声压级越高，人耳听觉频响越趋平直;声压级越低，人耳听觉频响越不好， 高频低频都会有所损失。 (4)对100Hz以下的低频声，人耳的灵敏度会急剧下降，对20Hz声音的听阈为70dB，SPL 因此为了进行有适当低音的调音，监听扬声器的声压级至少应为70dB。通常SPL 监听扬声器的声压级取为70-90dB。当监听音量减小时，高频、低频声会有所SPL 损失，因而改变监听扬声器的声压级会使不同频段的音量平衡发生变化。 (5)曲线族之间的间隔在1kHz附近几乎是均等的，人耳对1kHz附近的频率， 声压变化的dB值与听觉上的音量感的变化是比较一致的。因此，选定1kHz声SPL 音作为各种声音的声压级基准。 根据上述特点分析，当改变重放音量时，各个频率的声音的响度级也将改变，所以人们会感到声音的音色有变化。即使是一个高级的放音装置，在低声级放音时，也会感到放音频带变窄，声音单薄;相反，即使是一个低级的放音装置，在提高放音音量时，也会感到放音频带展宽，声音较丰满。为了减小等响曲线的影响，可以在前置放大器部分安装响度控制器，使在低声级放音时，能根据等响曲线自动地将低声频段和高声频段声音的声级进行反校正，将它们相应提高。 2(音调 人耳对声音高低的感觉称为音调。音调主要与声音的频率有关，频率高则音调高，频率低则音调低，但不成正比，而是一种对数关系。十二平均律等程音阶是将一个倍频程(频率相差一倍的两个声音的音程)的频率按照频率的对数关系划分成十二个等份而构成的，相隔一个倍频程的两个音称为八度音。 音调的单位是mel(美)。将1kHz、40dB的纯音的音调定为1000美，比1000美高一倍 5 的音调定为2000美，比1000美低一半的音调定为500美。频率与音调之间的关系如图1-7所示。2000美的音调比1000美高一倍，但频率数却增大近四倍(约4kHz)。 图1-7 频率与音调的关系 其它影响音调的因素还有声音的声压级和声音的持续时间。 听觉有心理因素和生理因素，它们与物理量不一致的现象很多。例如，即使是物理上相同频率的声音，如果改变音量，音调的高低感觉也会有微小的变化。这种音量变化对音调感觉的影响，纯音比由许多纯音合成后的复音更为显著。特别是当低频声减小音量时，会感到音调升高;增大音量时，会感到音调变低。高频声正相反，减小音量时，会感到音调降低;增大音量时，会感到音调变高。因此，在小音量情况下，必须将低频声的音调调低一些，而将高频声的音调调高一些才能得到应有的音调。 3(音色 音色是听觉上区别具有同样响度和音调的两个声音的主观感觉，也称为音品。音色主要由声音的频谱结构决定，即由声音的基频和谐波的数目以及它们之间的相互关系来决定。 由于各种发声体的材料和形制结构不同，发声机理也不尽相同，即使它们发出相同音调、相同响度的声音，在基频相同的情况下，谐波的成分和幅度也会有所区别，人耳听到的主观感受便是音色不同。每个人讲话都有自己的音色，每种乐器也都有自己的音色。声音的频谱结构可用频谱图表示。频谱图以频率的对数坐标作为横坐标，以声压级作为纵坐标，将基频和谐波按幅度大小以相应高度的纵线表示在相应频率坐标上。图1-8所示为长笛、小提琴的频谱图。长笛的谐音少，音色圆润;小提琴的谐音多，音色粗糙。 图1-8 频谱图举例 (a) 长笛的频谱图 (b)小提琴的频谱图 6 另外，音色还与发声体振动的起振、稳定和衰减的时间过程有关。时间过程可简称为时程，或称为时间轴上的包络形状，在电子音乐中称为音型。时间过程和频谱结构共同决定了每种乐器所特有的音色。 起振阶段(也称为建立阶段)指在激发弦或空气柱使振动开始的瞬间，即开始振动而振幅还不大，并且还不稳定的那段时间。例如铜管乐器激发的时间一般为40ms左右，强激发时最长为80ms，但在弱激发时最长可达180ms。 稳态阶段是乐音过了起振阶段以后，振幅增至最大并保持恒定不变的阶段。例如弦乐器中的提琴、二胡，管乐器的长笛、小号等有稳态阶段，而板鼓、梆子等打击乐器则基本上没有稳态阶段。 衰减阶段是振幅开始减小直到完全停止振动的阶段。有的乐器衰减阶段很短，有的却很长。例如扬琴、竖琴的衰减时间就很长，可达1-2s以上。一般乐器的衰减时间，高音较短，低音较长。 图1-9为风琴和钢琴的时间过程图。风琴的时间过程是:起振较缓慢，在短时间保持一定的稳态声级，然后较缓地衰减。钢琴的时间过程是:起振较快，然后逐步衰减。 图1-9 时间过程举例 (a)风琴的时间过程 (b)钢琴的时间过程 三、人耳听觉的几个效应 1(掩蔽效应 在寂静的环境里，人耳能分辨出轻微的声音，但在嘈杂的环境中，轻微的声音完全被淹没掉了。要想听到原来轻微的声音，就必须使它增强才行。这种由于第一个声音的存在而使第二个声音提高听阈的现象，称为掩蔽效应。第一个声音称为掩蔽声，第二个声音称为被掩蔽声。第二个声音听阈提高的数值称为掩蔽量，以dB表示。提高后的听阈称为掩蔽阈。因此，一个声音能被听到的条件是这个声音的声压级不仅要超过听者的听阈，而且要超过它所在背景环境中的掩蔽阈。 图1-10中的实线表示一个60dB、400Hz纯音对其它纯音的掩蔽量。由图可知，对不同频率的掩蔽量不同，对掩蔽声附近的频率掩蔽量最大。另外，纯音掩蔽的特点是在两者频率相近处，由于产生拍频而使掩蔽量产生谷值。当掩蔽声强时，由于人耳的非线性，在耳内会产生谐波，所以在2倍与3倍的频率处也同样产生谷值。比掩蔽声频率高的声音容易被掩蔽，即低频声容易掩蔽高频声，高频声较难掩蔽低频声。图1-11为不同声级的400Hz和1200Hz声音对其它声音的掩蔽图，由图可知，掩蔽声声级越大，掩蔽的频率范围和掩蔽量也越大。 7 图1-10 60dB、400Hz声音和窄带噪声的掩蔽图 图1-11 不同声级400Hz和1200Hz声音的掩蔽图 对于复音，掩蔽效应会影响音色。设有一包含400Hz、1200Hz、2800Hz三个频率分量的复音，已知三个分量的声压级分别是60dB、20dB、20dB。由图1-10可知，第一个音(400Hz)的声压级为60dB的曲线，对于1200Hz的掩蔽量是30dB，所以1200Hz声音被400Hz声音掩蔽而听不到。而400Hz声音对2800Hz声音的掩蔽量是8dB，抵消后还有12dB(即在听阈之上12dB)。所以，人耳只能听到400Hz和2800Hz两个分量的复合音，且两者的比例改变了，复音原来的音色发生了变化。 通常窄带噪声的掩蔽作用比频率等于窄带噪声中心频率的同样强度的纯音要大。声级较低时，窄带噪声的掩蔽只限于中心频率附近较窄的范围，声级越高掩蔽区也越宽，并且对高于中心频率的声音掩蔽作用大。图1-10中虚线所示为中心频率410Hz、带宽90Hz，声压级80dB的窄带噪声的掩蔽情况。它不受拍频的影响，在窄带噪声声压级低时，曲线近似对 8 称，随着噪声声压级的提高，曲线将越不对称，掩蔽向高频端扩展，而低频端的扩展则越来越小。 一个宽带噪声可以在很宽的频率范围内产生掩蔽作用。与纯音间的掩蔽相似，低频声对高频声掩蔽作用强，而高频声对低频声掩蔽作用弱。掩蔽声级越高，掩蔽量越大。 以上所谈到的掩蔽现象都是发生在掩蔽声和被掩蔽声同时作用的情况下，称为同时掩蔽。但掩蔽也可以发生在两个声音不同时作用的情况下，当掩蔽声作用在被掩蔽声之前时，称为前掩蔽;掩蔽声作用在被掩蔽声之后时，称为后掩蔽。总称为非同时掩蔽。 非同时掩蔽有以下一些特点: (1)掩蔽声在时间上越接近掩蔽声，掩蔽效应越大。掩蔽现象常发生在掩蔽声声级 在40dB以上时。 (2)掩蔽声与被掩蔽声在时间上相距很近时，后掩蔽作用大于前掩蔽作用。 (3)掩蔽声强度增加时，掩蔽量并不成比例增大。例如，掩蔽声增加10dB，掩蔽量 只增加3dB，这点与同时掩蔽不同。 2(鸡尾酒会效应 掩蔽效应是一种生理现象。相对来说，鸡尾酒会效应则是心理、情绪引起的一种现象。 人们具有从许多声音中选择听到自己要听声音的能力。在许多人相聚的鸡尾酒会中，可以对特定人的讲话听得最清楚，这种效应称为鸡尾酒会效应。可以认为这种效应是根据讲话内容、声源的指向性和音色等要素，从嘈杂环境中听到自己需要的声音的一种能力。但传声器拾音时，不具备人的这种心理选择，而只能客观地拾取由其指向性、灵敏度、拾音方式等限定的声音。因此在实际录音时，不应被声源的内容所吸引，而应注意客观存在的物理声音，这样才能更好地把握具体的拾音方式。 3(双耳效应 用两只耳朵听声与用一只耳朵听声在效果方面有许多不同，这种不同称为双耳效应。 例如用双耳可听到比用单耳听到的更小的声音。根据测量，可知双耳可听到比单耳时低3dB的声音，随着声音声压级的增大，到达35dB以上时，这一差值可达6dB。但对噪声来说，上述关系不成立。当噪声较大时，上述差值会减小，噪声声压级大到一定程度时，双耳的听阈反而会上升，单耳的灵敏度反倒较好，这种现象称为耳间的抑制效应。 双耳效应中最明显的是对声音的定位，也就是双耳可正确地确定声源的方位，这是由于到达两耳的声音存在声级差、时间差和相位差所致。图1-12所示为水平方向正弦波声源到达两耳的声级差。可以看出，两耳的声级差在300Hz时，最大只有约4dB，但在6400Hz时，最大可达25dB。说明人耳对高频声方位的判断主要靠声音到达两耳的声级差。 人耳对低频声主要靠时间差(相位差)来判断方位。 9 图1-12 水平方向正弦波声源到达两耳的声级差 4(主观音 当声音变强时，人耳会感到原来声音中所没有的频率的声音，这是由于人耳中传输声音的机构具有非线性而产生的失真，形成高次谐波，声音越强，谐波的次数会越高，这种声音是由人耳主观产生的，称为主观音。 另外，当频率为f及f的两个声音同时到达人耳时，人们除了听到f、f的声音外，1212还会听到f+f和f-f的声音，以及f+2f、2f-f、2f-2f等声音，这些也都是主观音。 1212121212 10