声学原理

   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。
 
  声源发声后要经过一定的介质才能向外传播,而声波是依靠介质的质点振动而向外传播声能,介质的质点只是振动而不移动,所以声音是一种波动。波是振动的传播是振动状态的传播,即振动方向、振动位相或振动能量的传播。波的传播并不是介质或物理量本身的向前运动。即声源的质点并不随声波前进,他只在原地运动,传递出的只是质点的运动状态。 由上所述,声音为一串串稀疏稠密交替变化的波,而疏和密就是空气压强的变化,再通过人的耳膜对空气压力的反映传入大脑,从而听到声音。声波是描述声音的物理现象,常用波形表示。声波具有一切“波”的性质。所以产生声音的必要条件有两个:1、必须要有振动体或振动源。2、声波的传递必须依靠传播媒介。声波传播的空间称为声场。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。同一时刻,同位相的振动传播到达点的集合叫做波阵面。波阵面是平面的波叫平面波,波阵面是球面的波叫球面波。 一般情况下,平面振动发出的波是平面波,点源振动发出的波是球面波。 
 
  人耳的听音范围是20Hz~20KHz。低于20Hz叫次声波,高于20KHz的叫超声波。 声波在振动一个周期内传播的距离叫做波长。用λ表示 声波一秒钟传播的距离叫“波速”用c表示 声波一秒钟振动的次数叫“频率”用 f表示 它们之间的关系:λ=c/f 
相位:说明其声波在周期运动中所达到的精确位置,通常用圆周的度数来表示。 
 
  振动频率、振幅和传播速度相同而传播方向相反的两列波叠加合时,就产生驻波。驻波形成时,空间各处的介质或物理量只在原位置附近作振动,波停驻不前,而没有行波的感觉,所以称为驻波。 
 
  声波在传输过程中具有相互干涉作用。两个频率相同、振动方向相同且步调一致的声源发出的声波相互叠加时就会出现干涉现象。如果它们的相位相同,两波叠加后幅度增加声压加强;反之,它们的相位相反,两波叠加后幅度减小声压减弱,如果两波幅度一样,将完全抵消。由于声波的干涉作用,常使空间的声场出现固定的分布,形成波峰和波谷(从频响曲线上看似梳状滤波器的效果)。对于一般的节目素材,只要几个峰和谷产生于每个1/3倍频程的频带内,那么这种梳状滤波器的影响并不特别明显。人耳的临界频带宽度是非常接近1/3倍频程的。 
 
  在厅堂内扩声时由于墙壁的反射也会出现声波的干涉现象。如果是纯音(正弦波)信号,这种干涉现象必然会引起空间声场的很大差异,即:有的地方声波会加强、有的地方声波会减弱甚至完全抵消,成为“死点”(听不到声音)。好在语言和音乐不是正弦波而是复杂的波形,这种复杂的波形用傅立叶级数展开是多个不同频率、不同幅度的正弦波。所以有“此起彼落”“填平补齐”的效果,使干涉效应不太明显。但是!由于不同的频率信号所产生的干涉效果不同,某些频率信号加强,另一些频率信号减弱,所以常常导致房间传输特性不均匀。 房间共振可以用波动声学的驻波原理加以说明。简单地说,驻波是驻定的声压起伏,由两列在相反方向上传播的同频率、同振幅的声波相互叠加而形成。当声源持续发声时,在两平行墙之间、始终维持驻波状态,即产生轴向共振,其共振频率为:f=nc/2L,在矩形房间的三对平行表面间,只要其距离为半波长的整数倍,就可产生相应方向上的轴向共振。在矩形房间中,除了上述三个方向的轴向驻波外,声波还可在两维空间内产生驻波,称切向驻波;同样,还会出现三维的斜向驻波。

  当波源与波的接收者之间以一定速度作相对运动时,接收者所接收到的频率(或波长),这就是多普勒效应。当波源与波的接收者之间做相向运动即相互靠近时,接收者接收到的频率就会升高;当波源与接收者之间做反向运动即相互远离时,接收者接收到的频率就会变低。听疾驶而来的火车鸣笛声,先是升高,然而当火车掠身而过再向后驶去时,笛声又降低。 声学的基本概念 一般的声波都不是纯粹的正弦波,所有的周期振动都可以分解成各种频率、振幅和位相的正弦波,看成是它们的叠加。大家把频率最低的叫做基频 (Foundamental Frequency),其倍频叫做谐波(Harmonics)或泛音(Over Tone)。+ H0 g/ N% y/ W" c( U 人们之所以能够听到声音,是由于声波振动引起的,并通过传声媒质(如:空气、水、混凝土等弹性物质)传播进入人耳。在反射声中较早到达人耳的声波较强,这个较强的反射波称之为早期反射声,在此之后的反射声的总和称为混响声。% J# M9 w2 k* q% o+ | 从声源或振动源不经过任何反射直接传入人耳的叫“直达声”,它的传播时间和路程最短,直达声最接近于原始声音,最清晰。声音通过物体反射传入人耳的叫“反射声“。人的双耳距离大约有15~17厘米,这个距离使人耳具有非常准确的判断声源位置的特性。比如说:声音从左方首先进入左耳,右耳听到的声音比左耳晚一些其时间差=双耳距离/声速,为0.44~0.5mS。这个时间差使听音者感觉声音来自左方。所以直达声对判别声源的位置起决定性作用。因此人们在欣赏音乐时具有立体感和空间感。 
 
  早期反射声是在室内声场的反射声中较早到达人耳的声波较强,这个较强的反射波称之为早期反射声。早期反射声可以加强直达声,展宽声源。早期反射声时间的长短,可以使人感觉声场的大小。以室内声场的声能密度衰减到原始值的百万分之一时所经过的时间进行量度,称为混响时间。因此,混响时间可定义为室内声音已达到稳态后停止声源发声,平均声能密度自原始值衰减60分贝所需的时间,并用T60或RT表示。 塞宾公式:T60=0.161V/Sa   V--房间容积   S--室内总表面积   a--室内平均吸声系数 伊林公式:T60=0.161V/-Sln(1-a)+4mV 4m--空气衰减系数 伊林公式不仅考虑了室内表面的吸声,且考虑;际上.当房间较大时,空气对频率较高的声音 (2kHz以上)也有较大的吸取。这种吸取主要取决于空气的相对湿度和温度的影响。  

  声波存在的空间叫做声场。被研究的声场有扩散声场,即声源向四方传播,没有反射。这种能使室内任一位置上的声波可以沿所有方向传播的声场称为扩散声场。这里所说的:"扩散",具有明确的.物理意义。严格意义上的扩散声场必须满足以下三个条件:(1)室内的声能密度均匀,即声能密度处处相等;(2)声能在室内各个方向传递的几率相等;(3)从室内各个方向到达任一点的声波,其相位是无规的。在这样的声场中,声波无论在空间位置上,还是在传播方向上都不会一成不变地"聚集"在一起,而是随着传播过程的进行逐渐扩展,并分散开来,直至充满全部空间并遍及所有方向。 
 
  自由声场:媒介是均匀的,各向同性,并足够大,以致于边界影响忽略不计,没有任何障碍物的声场0 j$ @% M- T4 l 在一般情况下,扩散声场的条件是难以满足的,但在一定条件下,把不规则的大房间中的声场近似地作为扩散声场处理,所得的结果与实际情况相差不大。然而,如果房间的形状简单而规则,情况则不然。这时在室内就可能出现声场的严重"不扩散"状况,声波就可能在某些位置或某些方向上特别加强,而在另一些位置或方向上特别削弱。例如在圆形大厅中,声波将聚集在大厅中部;在正方形房间中,沿某些方向的驻波将较强等等。为了尽可能在室内形成扩散声场,应避免采用凹形壁面,而凸面反射体的正确使用,则是使室内声场趋向扩散的一种有效方法。这种能够促进声场扩散的反射体通常称为声扩散体

  声波传播中的衰减与声波传播的距离有关,声波原来具有的能量越多,传播的距离越大,那吸取的声能量也就越多,声强的改变相应越大。声强变化的大小与声强及传播距离成正此关系。声强按指数函数规律随距离增加而衰减。声压也是按指数函数的规律随距离衰,不过比声强的衰减要缓慢。声源发出的声能无阻挡的向远处传播,接收点的声能密度与声源距离每增加1倍衰减6dB。与空气的吸取有关,声音是在室外长距离传播时,地面之上的温度差 (梯度)将会影响声音的传播,声音的折射是指声音传播方向的变化,这是由于其速度会因温度的提高而稍微加快。干燥空气比湿的空气对声音的衰减要大一些。这种影响只是在2kHz以上时十分明显。这就是说随着距离的增加,高频的衰减要此低频的大一些,并且当相对湿度在20%或稍低时衰减量是最大的,既空气温度升高或湿度增大时,衰减系数相应降低。与声音的频率有例如,频率为400Hz和8kHz的平面波,在空气中传播1000rn后,从声压级降低的数值中发现频率较低的声波衰减不大,而对于高频率、远距离传输的信号,衰减是相当可观的。在声源近处,由于声波的逸散而产生的衰减量占主要地位;在声源远处,由声吸取产生的衰减量将转化为主要因素。与使用的吸声材料的吸声系数有关,一些松散的多孔材料或内部自身摩擦很大的阻尼材料,会强烈地吸取声波。与声能量的转换有关,既间内某一物体时损声波每次撞击某一边界表面或房间内某一物体时损失了多少声能。 声波的传播,声的绕射、反射和折射,声波的独立传播定律& f; j  U" i2 h& ~  o1 c 机械波在均匀介质中传播时,传播方向不会改变;机械波在非均匀介.一种介质传播到另一种介质的界而时,会发生反射或折射,即一部分反射,一部分透射,一部分被吸取,当波在传播中遇到障碍时,会发生绕过障碍的现象,声波就是这样的。 

  惠更斯原理波所到达的每一点,都可以看作新的波源,从这些行的波源发出次波来,新的渡阵面就是这些次波的包迹。 包迹亦叫包络线,次波的包迹就是包住这些次波的轨迹线。% q4 a+ f: X3 V2 F3 u+ z0 F 在各向同性的均匀介质中传播的波,根据惠更斯原理求出的波阵面的几何形状是不变的,即平面波还是平面波,球面波还是球面波,这是因为在各个方向上波的传播速度是不变的。在非均匀介质中,波的传播速度要改变,因此根据惠更斯原理得出的波阵面形状就会发生变化,亦即波的传播方向会发生变化。这是符合实际情况的。" i' M8 W4 @9 Z6 W  x 波在传播过程中遇到障碍物时,传播方向要发生变化,发生绕过障碍物的衍射现象,也叫绕射现象,声波的频率越低,绕射的现象越明显。 
1.声波的镜像 反射声波在前进过程中,如果遇到尺寸大于波长的界面,则声波将被反射。这以用镜像反射定律来说明:入射声线。反射声线和界面的法线在入射声线和反射声线分居法线两侧同一平面内入射声线和反射声线分居法线两侧,入射角等于反射角。反射的声能与界面的吸声系数有关。$ w. u8 T0 ?+ |# k" g$ M 。
2.声波的扩散反射   声波在传播的过程中,如果遇到一些凸形的界面,就会被分解成许多较小的反射声波,并且使传播的立体角扩大,这种现象称之反射。适当的声波扩散反射,可以促进声音分布均匀,并可防止一些声学缺陷的出现。但是,这些表面的凸出和粗糙不平处,最小需要达到声波波长的1/7时才能起到扩散作用。扩散反射可分为完全扩散反射和部分扩散反射两种。前者是将入面八方反射,即反射的方向分布完全与入射方向无关,后者是指反射同时具有镜像和扩散两种性质,即部分作镜像反射,部分作扩散反射。在室内声学中大多数的情况都是部分扩散反射。 

  声源的指向性己寸比声波波长小得多时,可看成是“点声源"。它向所有方向等量地辐射声音,所以是没有方向性的。当声源的尺度与声波波长相差不多,或大于波长时,就不能看成是点声源了,而应看成是许多点声源的组合,因而向各方向辐射的声音能量就不同了,即具有指向性。与波长相比,声源尺度越大,其指向性就越强。频率越高指向性越强,而指向性越强,则直达声越集中在声源辐射的轴线附近。在与发声者距离相同的前后位置,对于高频语言声,其响度可相差一倍以上。所以,在堂形体设计及扬声器布置时,均需考虑到声源的指向性。