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声学基础录音手册

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2020-04-27

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声学基础(1,2节)录音手册-章声音的形成及其传播1.什么是声音根据人对信号的感知，人耳听觉系统所能感受到的信号就是声音。声音是由物体振动产生的，但是人耳并不是所有的声音或者说所有的频率都能听的见，通常人耳能感知到的频率范围为

声学基础 (1,2节) 录音手册-章

声音的形成及其传播

1.什么是声音

根据人对信号的感知，人耳听觉系统所能感受到的信号就是声音。

声音是由物体振动产生的，但是人耳并不是所有的声音或者说所有的频率都能听的见，通常人耳能感知到的频率范围为10Hz----20KHz。

首先，声音有它自己的形成方式，它的过程是先要对物体产生一个策动力，物体开始振动产生声波，再通过某种媒质传递到人的耳膜，较后送到大脑产生相应的感知。

上图就是声音形成的条件。总结一下；

（1）物体的振动

（2）弹性媒质的传播

（3）耳膜（鼓膜）的相应振动

（4）大脑的感知

2.声音的传播方式

在媒质中，声音是以波的形式进行传递的，但声波在媒质传播时，媒质的质点并不随声波前进，它只在原地振动，传递出去的只是质点振动的状态。就象把以块石头投入水中，水波向外传递，但原位置的水只是在原地上下波动一样。这里应该提到的是声波在真空中不能传递的，我们平时在电影中看到的太空飞船在外太空中飞行的时候所产生的轰隆声是不存在的。

波形传递的方式可以分为横波和纵波。

横波：物质振动的方向与波振动的方向相垂直的波。如绳子的波动就为横波。

纵波：物质振动的方向与波振动的方向相同的波。我们听到的声波就是纵波。

波形的振动系统

人耳在大自然中听到的声波并不是像我们在物理中学到那种简单的正弦波，大自然中的声音是由许许多多的简单波组成的一种复合波，简单波除了我们说到的正弦波以外还有方型波，三角波，锯齿波等。

人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声域。在人耳的声域范围内，声音听觉心理的主观感受主要有响度、音高、音色等特征和掩蔽效应、高频定位等特性。其中响度、音高、音色可以在主观上用来描述具有振幅、频率和相位三个物理量的任何复杂的声音，故又称为声音“三要素”；而在多种音源场合，人耳掩蔽效应等特性更重要，它是声学的基础。下面简单介绍一下以上问题。

1.振幅

物体或物理量运动时离开平衡位置的较大距离称为“振幅” 单位是“m”米，用“A”来表示（Amplitude) ，因此声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。而它在人耳听觉中影响的是响度的大小。

2.周期

振动物体从开始位置起，回复到初始位置，即往复振动完成一次。也就是说，从任何时刻开始，经过了一个周期，振动有完全相同的状态。它的单位是“s”秒，用“T”(period)来表示。

3.频率

一秒内完成全振动的次数叫做频率，单位是“Hz”用“F”来表示。而它在人耳听觉中影响到音高，也就是说频率越高音高也就越高，反之。在国际上把440Hz定为标准音“A”。

通过上图可以看出周期和频率存在反比的关系，用数学公式表示为F=1/T。

下图为音高与频率的关系。

4.相位

相位是说明其声波在周期运动中，各个时刻振动所处的状态，通常用圆周的度数来衡量。单位是“度”用“Φ”相位（Phase)或相位角(Phase Angle)来表示。

5.波长与声速

振动要传播，才能成为波。因此，波比振动要更为复杂些，有四个要素，除了振动的三个要素即上面讲过的振幅，相位，频率外，还有一个波的传播速度，也就是波长。

波在振动一个周期内传播的距离叫做波长。也可以这样解释；声音在传播途径上，相位相同的两个不相邻点之间的距离。单位是“m”米，用“λ”来表示。

声速是声波在媒质中每秒钟传播的距离叫做声波传播的速度。单位是“m/s”米每秒，用“C"来表示，有时候也用波速“υ”来表示（v在这里是波的传播速度，与振动质点的运动是两码事，不要混淆）。另外需要注意的的是声速的大小与振动无关，而与媒质的材质，密度和温度有关。

例如：

水中 1450 m/s 木材 3320 m/s 钢 4900m/s

酒精 1230m/s 玻璃 5560m/s 铝 5160m/s

如室内温度为14℃ ～ 15℃，则为340m/s。所以在不作精确要求时，我们常把空气中的声速以340m/s来计算。

声速（C）=波长（λ） × 频率（F）

根据周期的计算公式又可推导为；

声速（C）=波长（λ）/ 周期（T）

声学基础 (3,4节) 录音手册-章

波形的基本特性

1.相位干涉

在声波的传播过程中，两个频率相同但是相位不同的波相互叠加的时候会出现什么现象那？

通过图a，b，c我们可以看出当波(蓝）和波（红）两个相位相反的波相互叠加的时候声波都被抵消了，但是波长和频率没有变，也就是说振幅为0。

相反，波（蓝）和波（红）两个相位相同的波相互叠加的时候振幅为原来的两倍，波长和频率也没有变。因此我们可得出一个结论，当两个相同的波形但相位完全相反的波形叠加的时候振幅为0，人耳响度也为0；当两个相同的波形但相位相同的波形叠加的时候振幅为原来的两倍，人耳听到的响度增加。

2.振动的叠加或合成

前面我们分析过了频率相同时声波叠加的相位特性，下面我们来分析当频率不同的时候声波叠加时会产生的现象。

上图a两个波的振动频率分别为20Hz和18Hz，当两个波进行叠加时，同相的部分增强，反相的部分减弱甚至抵消,结果形成图b所示波形，可以看出合成波形的包络是一个2Hz的“拍”，从听觉上能够感觉出每秒出现两次的强弱变化。

声音传播的基本特性

1.我们讨论的振动系统往往都是在理想状态下的，而实际环境中的振动系统往往都是逐渐停止的，其原因就是在振动系统的振动过程中能量会不断的消耗，转化为热能或其他能量，从而导致振动的停止。那么声音的船见都是于那些因素有关那？

声音转播衰减的因素分为5项；

⑴.吸声材料和吸声结构的吸声系数

吸声材料和吸声结构的种类很多，并且同一中材料和结构对于不同频率的声波有不同的吸声系数。因此依其吸声机理可分为三大类，既多空吸声材料，共振型吸声结构和兼有两者特点的符合吸声结构，如矿棉板结构等。

一些常用建筑材料的吸收系数（对500赫兹频率纯音）

材料

吸收系数

材料

吸收系数

声学砖

0.50

三合板(6毫米)

0.17

未上釉砖

0.03

石灰,水泥

0.05

水泥面上的厚地毯

0.11

普通的窗玻璃

0.18

天鹅绒(0.034千克/米2)

0.49

水泥地面上的拼花木地板

0.07

根据材料的外观和构造特征，吸声材料大致可分为下图中所列几类。材料外观和结构特征与吸声机理有密切的联系，同类材料的结构具有大致相似的吸声特性。

⑵.距离

⑶.频率

前面我们已经讲过高频的波长短，低频的波长长。因此低频传播的距离比高频远一些，并且低频的穿透力也相应强一些。

⑷.声能的转换情况

声波在传播的过程中会遇到某些物质，并与之摩擦将声能转化为热能。也可以理解为质点之间相互摩擦将力能转换为热能并消耗掉。

⑸.空气对声波的吸收

空气有干湿度和热冷度，可是很不幸，在这四项里其中的任何一项的改变都会直接对声波的传播产生影响。而且也是不同频率有其不同的吸声系数。

我们只给出一个简单的空气相对湿度的空气衰减系数表。

相对湿度

倍频程中心频率

500

0.0024

0.0042

0.0089

0.0262

0.0025

0.0044

0.0085

0.0234

0.0025

0.0045

0.0081

0.0208

0.0025

0.0046

0.0082

0.0194

总之，当声音投射到一个固体障碍物上时，大部分声能将被障碍物表面反射；一小部分被障碍物吸收并较终转化为热能；另一小部分将穿透这个障碍物。这三部分的相对份额要视障碍物表面光滑程度、障碍物材料的比重和障碍物的形状及厚度等因素而定。光滑坚硬表面的声能反射系数比较大，一般在90以上，而减少声波反射的较常用办法是增加声能的吸收和透射。这里存在两种物理机制：共振吸声和多孔吸声，一些柔软多孔的表面，吸收性能较好。这是由于，在柔软多孔介质中，声波的空气振动比较容易转化为介质的振动并通过摩擦转达化为热能耗散掉。

2.声音的反射和吸收

反射原则：当声波遇到平面墙的时候，反射声波和垂直于墙壁面法线所形成的角度与入射声波和法线所形成的角度相等。

其入射线与反射线在反射面法线的两侧，而且入射线，反射线反射面的法线在同一个平面内，入射角等于反射角。这就是反射的定律，如图所示，入射角为入射线与反射面法线之间的夹角∠1，反射角为反射线与反射面法线之间的夹角∠2，根据反射原则，有∠1 = ∠2。但此原则通常是指频率高波长短的情况。

反射系数 K=反射声If / 入射声Iin

当If =0 时为全吸收（这种房间称为“消声室”）

当Iin=If 时为全反射（在自然界中不可能出现这种情况）

我们在根据能量守衡定律，设单位时间内入射到物体上的总和声能Eo，反射声能Er，物体吸收的声能Ea，透过物体的声能为Et得到一个公式；

Eo=Et+Ea+Er

当然所有的反射面都不能是墙面的，在凹面和凸面上声波会出现声聚焦和声扩散。如果正确使用会化弊为利的。

3.隔音

隔音是把声波的传媒阻断，或利用阻声结构把声音阻隔开来，其目的是为了防止声干扰，声干涉和相互串音。

4.声音的折射，衍射，散射

折射原则：当声波从声速大的媒质折射到声速消的媒质时声波的传播方向分界面的法线，反之声波从声速的媒质折射入声速大的媒质时声波的传播方向将折离法线。

⑴.障碍物大于波长的时候 d ＞λ

障碍物后边会形成一片声影区，但低频波长大继续传播。

⑵.障碍物小于波长的时候 d ＜λ

声波越过障碍物继续传播

⑶.孔洞

当孔洞大的时候波会越过孔洞。

当孔洞小的时候波会在孔洞的后边从新开始传播，但波不是越过小孔，这时可以看作小孔为新的声源。

从上面两个图可以看出孔洞d越大,则波的越多的部分继续向前传播

⑷.大障碍物

当声波遇到障碍物的尺寸很大的时候，声波将向四面八方扩散，但反射到入射方向的部分较多，而在入射方向的背后，产生声影区。

声学基础 (5,6节) 录音手册-章

传播的时间特性

在室内声场下传播的时间特性分三部分；

直达声近似反射声混响声

1.直达声

当声源发声后，声源的辐射波未经任何反射直接传播到某以位置的声波叫做直达声。这时声能密度，也即声强，大致与距离平方成反比，由于听众的眼睛基本上处在声源到他耳朵的联线上，因此可以说，凡是看得见声源的听众也能听到发自该声源的直接声，反之也是。有的音乐厅楼厅的某些座位，听众靠在座位上就看不见舞台的声源，这样就不能听到直接声，越靠近舞台，直接声越大，越远离舞台，直接声越小。

特点：时间较短，“路程”（距离）短

声音较清晰，较接近原始声

作用：直达声句定声源的方向

哈斯效应：在室内所有声能的总和，可能要弊直达声大许多倍，但我们可以判断出声源的方位，这符合哈斯效应的优先效应。一个声场有两个声源（这两个声源发出的声音是同一音频信号），当这两个声音传入人耳的时间差在50毫秒以内时，人耳不能明显辨别出两个声源的方位，人耳的听觉感觉是；那一个声源的声音首先传入人耳，那么人的听觉感觉就是全部的声音都来自于这个方位。

2.早期反射声

一般直达声过后，经一次，二次等早次的反射就到达听音区的反射声为早期反射声，也称近似反射声。

作用：加强直达声

展宽声源

决定声场大小

3.混响声

除了早期以外的所有反射声的总和就是混响声。也就是在50毫秒以外的反射声。

特点：是声音停止后依然持续的，密度越来越大的，声能越来越小的回声组合。

我们图示说明一下；

4.混响时间

在室内音质设计中，常用混响时间作为控制混响过程长短的定量指标。混响时间是当室内声场达到稳态，声源停止发声后，声压下降或衰减60dB(分贝）所用的时间。记作T60或RT，单位是“s”秒

上世纪末到本世纪初，赛宾（W.C.Sabine）首先建立其混响时间与房间容积和室内总吸声量的定量关系，既：

T60=0.161V/Sā

式中 V =房间容积 m3

S =室内总面积 m2

ā=室内平均吸声系数

赛宾公式具有非常重要的意义。但是，在实际使用中，如果总吸声量超过一定的范围，则计算结果与实际情况的误差较大。据研究，赛宾公式适用于室内平均吸声系数 ?＜0.2 的情况。

在赛宾公式的基础上，又有人进行了大量的研究，作出了某些修正，其中包括在工程界普遍应用的伊林（Eyring）公式：

T60=0.161V/-SIn（ 1 - ā）

式中各符号的意义同上。

上式仅考虑了室内表面的吸声。但实际上，当房间较大时，空气对频率较高的声音（2kHz以上）也有较大的吸收。这种吸收主要取决于空气的相对湿度和温度的影响。当计算中需要考虑空气吸声时，上面的伊林公式可修正为：

T60=0.161V/-SIn（ 1 - ā）+ 4mV

式中 4m为空气衰减系数。

上式是在赛宾公式的基础上加以修正而得出的。特别是当室内吸声量较大时（?＞0.2），计算结果更加接近于实际值。

需要注意的是，语言要求混响时间较短，音乐要求较长，均匀的混响增加音乐的融合度，丰满度，并增加其响度，以及音乐的圆润度，立体感，但过多会影响其清晰度，室内混响的长短与房间表面的硬度，房间大小和房间结构有关，并且还与频率有着密切的关系。

声场

混响时间

声场

混响时间

一般居室

0.6s

音乐厅

1s-2s

小播音室

0.4s

音乐录音棚（吸声分轨录音棚）

0.6s

轻音乐录音棚

0.8s

音乐录音棚（自然混响同期录音棚）

1.4s-1.6s

声音大小的度量

声压由于声波作用而产生的压强叫“声压”。声波在传播过程中，空气中任一点附近质点由于声波作用，时而疏松，时而紧密，因而压强也相应地忽强、忽弱变化。当空气中有声波传播时该点的压强与没有声音到达时的压强之差叫做该点的声压。声压的单位是帕斯卡，简称帕，记做“P”。人耳能听到的较低限为0.0002μbar(1Pa=10μbar),这个低限称做人耳的“可听阈”，人耳能听到的较高限为200μbar，这一限度为“痛阈”（人正常说话声压为0.2-0.3μbar）.压的大小和传声介质中质点在声波作用下振动速度、介质的密度以及声波的传播速度有关。如用ρ表示空气密度，μ表示声速，v是空气质点的振动速度，则声压P为

P=pμv

树叶被微风吹动的响声声压约为0.01帕；在房中大声说话的声压约为0.1帕。

声功率[/b]声源在单位时间内，向外辐射的声能量叫做声功率。记做“W” 单位是W（瓦）

人低声说话为0.001 w

喷气飞机 10000Μw

[/b]

声强声波传播的能流密度。即在单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声音能量。由于声音的强弱与声源的振幅有关。若声源的振幅大，单位时间内传出去的能量就大，因而声波也就较强。声源在某点发出的声波，向外传播，在距波源r处的声强为

式中E是声源每秒钟发出的能量，声强I的单位是瓦/米2。声强与声音传播的距离有关，跟响度有关，但响度随声强的增加并不呈线性关系，两者是有区别的。声强是客观存在事实，它是声音强弱的物理量，不受人耳功能的影响。但响度却与人的感觉有关，当声波引起耳膜振动时又因人而异，对同一声强的声波反映不同，耳感灵敏者觉得响度大，而耳感差的就觉得响度小。对不同频率的声波，耳感亦不相同。凡能引起正常听觉的声波，对声强有一定范围的要求，对于每个给定的频率，要引起听觉，其声强也有两个极值。若根据正常听觉的实验结果，以频率为横坐标，以声强为纵坐标，将各种频率的声强上下限坐标连起来，低于下限的声强，不能引起听觉。凡超过上限的声强，使人耳有痛感。故上限曲线叫痛觉阈，下限曲线叫可闻阈，两曲线间的区域即为听觉范围。因此凡能引起人的听觉的声波，除对频率要求在20～20000赫兹外，还要求声强范围在10-12瓦/米2～1瓦/米2。由此可见声强变化范围是很大的。

声强级声强的量度。声场中某一点的声强是指在单位时间内，声波通过垂直于声波传播方向单位面积的声能量。声强I与标准声强I0之比的对数称作声强I的“声强级”，用L表示，即

单位为贝尔，用Bel表示，这个单位在实用上太大，故常用贝尔的1/10，即分贝（用dB表示）作为单位，所以声强级的表示式为

I0为声强的参考标准，国际上选定I0=10-12W/m2，即可闻阈的声强值。对于1000Hz的声音，人耳能听到的下限声压是2×10-4μbar.

使人感到疼痛的上限声压为2×102μbar（相应的声强为1W/m2 ）较轻声就是0。通常在谈话时的声强级为60～70dB。

人耳刚能听到的那一点

两人对话

74dB

播音室安静时大概是

14dB

歌厅

120dB

普通办公室