毕业论文：coolwen.com钢琴发声背后的声学原理

广州城市职业学院 学生毕业 毕业论文目 钢琴发声背后的声学原理 教 学 单 位 广州城市职业学院 专业/班级 钢琴设计与制造 姓 名 陈 冬 学 号 1302060141 指导教师/职称 萧 威 2009 年 5 月 10 日 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文众不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得广州城市职业学院或其他教育机构的证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。 论文作者签名： 陈冬 签字日期：2009年5月1日 摘要 钢琴发声原理背后的声学原理，该原理在其它乐器和音响设备（包括组合音响和耳机、耳塞等设备）上的体现。本论文将深入探讨声学原理的特性和应用方式、范围。对比其它乐器和音响设备的声学原理的运用，来考虑如何改进钢琴的音色以及让钢琴声音传播到听众的耳朵里更加真实。 关键词 声学原理 音频与波长 音长 界面干扰 目 录 1. 前言······························································4 2. 声学历史·························································4、5 3. 现场音响与录音室的分别·············································5 4. 音频与波长的关系·················································5、6 5. 音箱的高、中、低频·················································6 6. 各类不同的音场···················································6、7 7. 直接音场、反射音场、不直接音场·······································7 8. 界面干扰·························································7、8 9. 各种耳机的发声原理··················································8 10. 结论·····························································8、9 11. 参考文献···························································9 1.前 言 当森林中有一棵树倒塌下来时，发出一阵轰然大响声音，但是没有人在这个原始森林中，所以就听不到这声音。这算不算有声音发出来呢?声音是肯定发出来了，因为当树干及树枝接触地面时，它们都会产生某些声音，但是没有人听见，但这声音对于人类或其他动物所听到的是有所不同，所以这就是声学上所说的心理(Psychoacoustics)。 　　我在这里讲的声学原理，最主要是让一个调音员能够了解声学的各方面，而不是进行声学研究，或是硕士、博士的声学论文，所以我在这书内讲的声学理论都是实际可以给在现场操作音响的人用得上的。  2.声学历史 1915年，有一个美国人名叫 E． S． Pridham将一个当时的电话收听器套在一个播放唱片音响的号角上，而声音可以给一群在旧金山市庆祝圣诞的群众听时，电声学就诞生了。当第一次世界大战结束之后，在美国哈定总统(Harding)就职典礼上，美国贝尔公司把电话的动圈收听器连接在当时的唱片唱机的号角上，就能够把声音传给观看总统就职典礼的一大群群众，因此就产生了很多专业的音响研究及开发了扩声工程这门学问。音响研究人员不单纯是努力地把音响器材进行改进，也做了各类不同的实验来了解人类对听觉的反应。但最高级的音响研究人同都明白音响学是要整体的研究，要了解音响器材的每一个环节，及人类对听觉的生理反应，他们在过去多年内直至现在都作出了很大的贡献。早在1877年，英国的莱李爵士(Lord Raleigh)就已经做过声学的研究，他曾经说过：“所有不论直接或间接有关音响的问题，一定要用我们的耳朵来做决定，因为它是我们的听觉的器官，而耳朵的决定就应该算是最后决定，是不需要再接受上诉的。但这不是等于所有的音响研究都是单靠用耳朵来进行。当我们发现声音的根基是一个物理的现象时，我们探测这个音响境界就要转到另外一个领域范围，它就是物理学。重要的定率是可以从研究这方面而来，而我们的听觉感应也一定要接受这些定率。”我们可以从以上一段文字看到，就算在没有电声音响学产生的时候，老前辈科学家都认为这个是物理的领域。  　　著名科学家英国的卡尔文勋爵常常说：“当你度量你所述的事物，而能用数字来表达它，你对这事物已有些知识。但如果你不能用数字来表达它，那么你的知识仍然是简陋的和不完满的；对任何事物而言，这可能是知识的始源，但你的意念还未达到科学的境界。”卡尔文勋爵(1824—1907)是19世纪最出色的科学家之一，后世的科学家为了要纪念这位伟人，把绝对温度—273．16摄氏度命名为0度卡尔文度。 　　戴维斯夫妇(Don＆ Carolyn Davis)是《音响系统工程》(Sound System Engineering)这本书的作者。这书被称为音响圣经，几乎是每一个外国研究音响的人必读之物。我引述他书内这一段：“具有数学和物理学的知识，是实质上了解音响工程学的必要条件。对这两种科学认识越深，越能使你跨越从感觉上所得到的意念，而达到用科学来引证事实。著名音响家占士摩亚曾经说过：‘在音响学中，任何在表面看来很明显的事情，通常都是错误的’。” 　　我在以上引述了几位科学家及音响学家的训言，主要是因为现在大部分做音响的人士，他们当然是对音响及音乐很有兴趣，但是以为光靠他们的听觉就可以鉴定什么是好或不好的音响，不明白这是一门专业的工程学问，是做不好音响的。远在19世纪的莱李爵士已经指出这是一个科学的境界，现代的音响工程学也像其它科学学术一样正在努力地发展，所以音响工程学是离不开数学及物理学的。 3. 现场音晌与录音室音晌的分别 在这里所讲解的现场音响地操作，它与录音技术是有很多不同的地方，有很多人以为音响的最高境界就是录音技术，这是不全面的。在录音技术上，基本是没有碰到反馈的情况，因为在一个录音室内进行操作时，所有的外围因数都可以得到控制，但是在现场音响重播时，我们是不可以避免有很多现场音响的问题，所以现场音响和录音音响是两种不同的学问。现场音响跟录音室音响的要求是不同的，所以有很多器材也是不同的。例如在录音室内所用的调音台，它们的每路输入都有多个参数均衡，让录音师可以把每路输入的音源尽量做最精密地微调，务求达到最好的音源效果。一个用来做现场音响的调音台，通常在它的每路输入，均衡都是比较简单的。因为很多时候，现场调音师根本就没有很多时间把每路的音源做很仔细地微调，而在现场音响的调音台每路的音量控制推杆，它们除了可以把音量做衰减外，也可以增益10—14 dB。如果做录音室用的调音台，这推杆很多时候是不需要做增益的，所以这推杆的英文名称就是 fader，意思就是衰减器。用在现场音响的大功率功放，它们都会有风扇作为散热用途，因为现场音响的功放是常常在最大功率输出的情况下工作，并且有很多时候是在户外做现场音响时，周围的温度可能相当高。如果在录音室内，通常都一定会有空调，温度当然不会太高，而录音室内的功放，主要是用来推监听音箱用的，当然不需要输出很大的功率，所以功放只需要用普通的散热器，就可以把很小的热量散走。如果功放装有风扇的话，风扇发出来的声音反而造成噪音，所以在录音室内的功放基本上是不需要风扇的。  　　现场音响所用的音箱，为着要把很大的声压传播绘在远距离的观众，所以它们是需要很高效率的，但在录音室内所用的监听音箱，是录音师用来监听声源或录音的最后结果，录音师是坐在距监听音箱很近的地方来监听，所以监听音箱是一种近音场的音箱，不需要高灵敏度，作用跟现场音响音箱是完全不同的。 4. 音频与波长的关系 很多现场调音师都没有理会到音频与波长的关系，其实这是很重要的：音频及波长与声音的速度是有直接的关系。在海拔空气压力下，21摄氏温度时，声音速度为344m／s，而我接触国内的调音师，他们常用的声音速度是34Om／s，这个是在15摄氏度的温度时声音的速度，但大家最主要记得就是声音的速度会随着空气温度及空气压力而改变的，温度越低，空气里的分子密度就会增高，所以声音的速度就会下降，而如果在高海拔的地方做现场音响，因为空气压力减少，空气内的分子变得稀少，声音速度就会增加。音频及波长与声音的关系是：波长=声音速度／频率； λ=v／f，如果假定音速是344 m／s时，100Hz的音频的波长就是3．44 m，1000hz(即lkHz)的波长就是34．4 cm，而一个20kHz的音频波长为1．7cm。 5. 音箱的高、中、低频率 例如我们现在有一个18时的纸盆扬声器单元，装置在一个用木材造的音箱内，而这音箱的面板面积是 l平方米，即这面板的高度及宽度均是 l米。我们怎样计算这音箱的高、中、低频率呢?首先我们要计算这音箱面板的对角长度，是2的方根=1．414m，任何频率的 l／4波长是超过1．414m时，对这音箱来说它就是低频；如果一个频率的 l／4波长是1．414m时，波长就是4×1．414m= 5．656m，这频率=344m／s÷5．656m=60．8／s=60．8Hz，所以任何音频低于60．8Hz时，对这音箱来说就是它的低频率。当60．8Hz或更低的频率从这音箱传播出来时，它们的扩散形象是球型的，等于如果我们把这音箱悬挂在一个房间中间时，这些频率的音量在音箱的前后左右及上下所发出来的声压都是差不多的，放出来的声音变成没有方向性。当某频率的 l／4波长是小于音箱面板的对角长度，但这波长又大于扬声器的半径时，这段频率就是这音箱的中频率。例如我们现在是用一个18时单元，这单元的半径为9寸，就是22.86cm=0.2286m,这个音频为344m/s÷0．2286m=1505Hz,从60.8Hz-1505HZ频就是这音箱的中频率。中频率从这音箱所扩散出来的形状是半球形的，即如果我们把这段频率从刚才悬挂在房间中心的音箱放出来时，声音从音箱面板扩散出来的形状是半球形。在音箱后面是听不到这段频率的声音。1505Hz及更高的频率，对这音箱来说就是它的高频率。高频率从音箱扩散出来的声音形状是锥形的，频率越高，锥的形状越窄。通常如果频率超过开始高音频的4倍时，声音扩散出来的形状会慢慢变成一条直线而不扩散，如果不是坐在对正单元的位置，就听不到这些高频率。所以很多高频率单元如果是纸盆型的话，这纸盆的直径是很小的，把这音箱的高频下限尽量提高，希望能够使高频扩散的宽度增加。我们常常见到家庭音响音箱中的高音单元，通常会用 l—2时的纸盆单元，或半球状的单元，理由就是这个原因。而专业现场音响的高音单元，因为要发出很大的高频声压，所以说一定是采用号角处理的。  6. 各类不同的音场 当一个纸盆扬声器接受了从功放传过来的信号后，纸盆就会作出前后的摇动，当纸盆向前推进时，纸盆撞击到它前面的空气分子，在纸盆前面的空气就会增加压力，这些分子就会继续向前推进，碰撞它们前面的空气分子，造成轻微的高气压。当纸盆向后退时，纸盆前面的空气分子就会产生轻微的真空，然后这些分子会跟着纸盆的后退，造成这里的空气有轻微的压力减少。但我们不要忘记，空气是有弹力的，但在纸盆前面的空气是刚刚被纸盆的动作摇动，不能达到空气本身的弹力，这时我们便要看这频率的波长，声音是要直到离开纸盆的距离有2．5倍波长时，这些空气才发挥出造成声音的弹力。例如一个100Hz的频率，它的波长是3．44米，所以声音要离开纸盆2．5×3．44米=8．6米之外，才是真正的这个100Hz的声音。如果用10OHz来算，离开纸盆的距离还没达到8．6米就为 lOOHz的近音场，而超过8．6米才是100Hz的远音场。为什么我们要了解远近音场呢?很多时候在一队乐队中的电贝司手，他往往都不了解近音场的效果，而在他的电贝司音箱上，有一个均衡旋钮就是写着贝司（Bass) ，正是这乐手的称号。电贝司手通常会站在离开电贝司音箱不远的地方做演奏，如果他站在近音场时，有时会觉得低音不足，就会把这Bass的均衡旋钮尽量调大，但听众在他们的位置就会听得到很强烈的低音，很多时候造成不好的效果。这些强烈的低音也会跑进歌手的话筒，如果调音师因为觉得歌手的声音不足够时，就会把歌手这一路的声音提高，但也同时把电贝司的低音量也提高了，调音就遇上了困难。电贝司的最低E弦是41Hz，但因为拾音器是放在弦的末段，所以41hz第一个谐音82Hz才是主要的电贝司低频率，82Hz的波长是 4．2米（344m／s 除以82／s=4.195m），所以差不多要离开电贝司音箱 10米左右才是这82Hz的远音场，而因为电贝司手不会站到离开他的音箱这么远的距离时，他听到的声音只是近音场，而不是听众所听得到的声音。所以我们当说到扬声器的远近音场时，最主要是注意到频率及它的波长，而不是单纯看离开音箱多远就是等于远或近音场，最主要就是记得我们当欣赏音乐时，是要在远音场的位置，而不是在近音场的位置。 7. 直接音场、反射音场、不直接音场 当扬声器在一个房间内发出声音，听众可以听到直接从扬声器传过来的声音，这就是直接音场（indirectfield），但也可以听到从墙、天花板及地板所反射过来的声音，这就叫做反射音场（reverberant field)。听众听到越多的直接音场的声音，反射音场的声音就越小时，这声音就越好，因为直接音场的声音是可以控制的，但反射音场的声音是不能控制的，只会把直接育场发出来的声音加上喧染，把原本声音的清晰度底减低，所以坐得离音箱比较近的听众就会感觉到好一点的音响效果，而坐在后面的听众很可能是他们听到的反射音场声音比直接音场声音更大，音响效果便会比较差及清晰度降低。有时候一队乐队在台上演出时，因为他们没有监听音箱，而两旁的主音箱是放在靠近台口的位置，乐队及歌手所听到的声音完全没有从直接音场放过来的，他们站立的位置就叫做不直接音场，声音效果当然不会好，这也会影响到乐队的表演水平，令观众听到不太好的演出声音。 8. 界面干扰 当我们选择放置音箱的位置时，很重要的一环是要注意到音箱所发出来的声音是会受到它旁边的界面影响而造成干扰。例如放在台口两旁的主音箱，它们的低音纸盆离开地面及旁边的墙壁如果是大约在1米的时候，一个4米波长的音频就会受到这两个界面的干扰。一个4米波长的频率是 86Hz（344m／s ÷ 4m＝ 86Hz），当 86HZ的声音从音箱放出来时，大的空气压力在1／4周内刚巧碰到地面及墙壁，再过l／4周就反射回到音箱的纸盆面前，但这个时候刚巧纸盆要后退，原来从地面及墙壁反射过来的大空气压力就会被纸盆后退的动作抵消很多，造成失去了很重要的低音。如果遇到这个情况，就应该把音箱向台后退0．5－1米，让音箱所发出来的声音不能直接射到地面上，而如果可以把音箱移到靠近两边的墙壁时，更可利用墙壁的反射制做出更大的音量。80-100Hz 这段频率是很重要的，它是我们肺部空间的共鸣点，也是低音鼓的共鸣频率，如果是因为不了解界面干扰而摆错了音箱放置的位置，实在是很不值得的。 9.各种耳机的发声原理 动铁：利用了电磁铁产生交变磁场，振动部分是一个铁片悬浮在电磁铁前方，信号经过电磁铁的时候会使电磁铁磁场变化，从而使铁片振动发声。优点是使用寿命长、效率高。缺点是失真大，频响窄。常用于早期的电话机听筒。     动圈：这是现在最普遍的耳机形式。是将线圈固定在振膜上，置于由永磁铁产生的固定磁场中，信号经过线圈切割磁力线，从而带动振膜一起振动发声。优点是制作相对容易，线性好、失真小、频响宽。缺点是效率低（算不上什么缺点）。     静电：又称静电平面振膜，是将铝（或其它导电金属）线圈直接电镀或印刷在很薄的塑料膜上，将其置于强静电场中（通常由直流高压发生器和固定金属片（网）组成），信号通过线圈的时候切割电场，带动振膜振动发声。优点是线性好、失真小（电场比磁场均匀），瞬态响应好（振膜质量轻），高频响应好。缺点是低频响应不好、需要专门的驱动电路和静电发生器、价格昂贵。效率也不高。 气动：采用气泵和气阀控制气流，直接控制气压和流量，使得空气发生振动。有时候气阀改用大功率扬声器来代替。飞机上常用这样的耳机，此耳机实际上只是个导气管。优点是无电驱动，无限制并联、效率高。缺点是失真大、频响窄，有噪音。 10.结 论 钢琴的发声是动过演奏者按下琴键，带动连杆系统挥动音槌击打琴弦使琴弦产生震动而发声。而发出的声音通过钢琴的音板发声折射、反弹，最后通过空气传播到听者的耳膜中。 而音响和耳机的发声原理和钢琴的发声原理有很大的不同，但是最后经过空气传播到听者的耳朵中这一事实是不变的。（耳机与人有接触，因此大部分的传播通过人体自身为介质。） 所以，上文提到的各类音场和界面干扰都对钢琴的制造有参考价值。比如考虑声音的衰减防御，因此音板越光滑越好。此外也可以通过增加零件来改善反射音场的质量。（虽然现在钢琴的生产都是非常高的化，要突然增加零件或改变生产工艺不太现实。即便是有改善钢琴声音的好处，但企业一般不会冒这等风险，所以改革什么的现阶段只能存在于概念琴当中） 而音场方面，可以考虑正式演出中钢琴的摆放位置。特别是大型的交响乐演奏，众多管弦乐的位置是有规定的，但钢琴的摆放没有严格规定，这是就可以考虑现场环境因素来确定钢琴的摆放位置。避免钢琴和众多的管弦乐器发生音场上的相互干扰，或者是周围的界面干扰，从而达到最好的听音效果。 声音是钢琴的生命，而声学的原理是一条主动脉，在此放面多做研究，钢琴的音色提高指日可待。 参考文献 [078905]赫·梵威尔.《声学心理影响》[N].上海：上海交通大学出版社，1965. 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