聲學(xué)原理
作者：聲學(xué)小編 來源： 日期：2014-10-23 11:32 人氣：
聲波是由物體振動產(chǎn)生的，當(dāng)振動在一定的頻率和強度范圍內(nèi)時，人耳就可聽到。振動發(fā)聲的物體稱為聲源。
聲源發(fā)聲后要經(jīng)過一定的介質(zhì)才能向外傳播，而聲波是依靠介質(zhì)的質(zhì)點振動而向外傳播聲能，介質(zhì)的質(zhì)點只是振動而不移動，所以聲音是一種波動。波是振動的傳播是振動狀態(tài)的傳播，即振動方向、振動位相或振動能量的傳播。波的傳播并不是介質(zhì)或物理量本身的向前運動。即聲源的質(zhì)點并不隨聲波前進(jìn)，他只在原地運動，傳遞出的只是質(zhì)點的運動狀態(tài)。 由上所述，聲音為一串串稀疏稠密交替變化的波，而疏和密就是空氣壓強的變化，再通過人的耳膜對空氣壓力的反映傳入大腦，從而聽到聲音。聲波是描述聲音的物理現(xiàn)象，常用波形表示。聲波具有一切“波”的性質(zhì)。所以產(chǎn)生聲音的必要條件有兩個：1、必須要有振動體或振動源。2、聲波的傳遞必須依靠傳播媒介。聲波傳播的空間稱為聲場。氣體中的聲波屬于縱波，即波的前進(jìn)方向與媒質(zhì)質(zhì)點的振動方向在一條直線上。同一時刻，同位相的振動傳播到達(dá)點的集合叫做波陣面。波陣面是平面的波叫平面波，波陣面是球面的波叫球面波。 一般情況下，平面振動發(fā)出的波是平面波，點源振動發(fā)出的波是球面波。
人耳的聽音范圍是20Hz~20KHz。低于20Hz叫次聲波，高于20KHz的叫超聲波。 聲波在振動一個周期內(nèi)傳播的距離叫做波長。用λ表示 聲波一秒鐘傳播的距離叫“波速”用c表示 聲波一秒鐘振動的次數(shù)叫“頻率”用 f表示 它們之間的關(guān)系：λ=c/f
相位：說明其聲波在周期運動中所達(dá)到的精確位置，通常用圓周的度數(shù)來表示。
振動頻率、振幅和傳播速度相同而傳播方向相反的兩列波疊加合時，就產(chǎn)生駐波。駐波形成時，空間各處的介質(zhì)或物理量只在原位置附近作振動，波停駐不前，而沒有行波的感覺，所以稱為駐波。
聲波在傳輸過程中具有相互干涉作用。兩個頻率相同、振動方向相同且步調(diào)一致的聲源發(fā)出的聲波相互疊加時就會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。如果它們的相位相同，兩波疊加后幅度增加聲壓加強；反之，它們的相位相反，兩波疊加后幅度減小聲壓減弱，如果兩波幅度一樣，將完全抵消。由于聲波的干涉作用，常使空間的聲場出現(xiàn)固定的分布，形成波峰和波谷（從頻響曲線上看似梳狀濾波器的效果）。對于一般的節(jié)目素材，只要幾個峰和谷產(chǎn)生于每個1／3倍頻程的頻帶內(nèi)，那么這種梳狀濾波器的影響并不特別明顯。人耳的臨界頻帶寬度是非常接近1／3倍頻程的。
在廳堂內(nèi)擴(kuò)聲時由于墻壁的反射也會出現(xiàn)聲波的干涉現(xiàn)象。如果是純音（正弦波）信號，這種干涉現(xiàn)象必然會引起空間聲場的很大差異，即：有的地方聲波會加強、有的地方聲波會減弱甚至完全抵消，成為“死點”（聽不到聲音）。好在語言和音樂不是正弦波而是復(fù)雜的波形，這種復(fù)雜的波形用傅立葉級數(shù)展開是多個不同頻率、不同幅度的正弦波。所以有“此起彼落”“填平補齊”的效果，使干涉效應(yīng)不太明顯。但是！由于不同的頻率信號所產(chǎn)生的干涉效果不同，某些頻率信號加強，另一些頻率信號減弱，所以常常導(dǎo)致房間傳輸特性不均勻。 房間共振可以用波動聲學(xué)的駐波原理加以說明。簡單地說，駐波是駐定的聲壓起伏，由兩列在相反方向上傳播的同頻率、同振幅的聲波相互疊加而形成。當(dāng)聲源持續(xù)發(fā)聲時，在兩平行墻之間、始終維持駐波狀態(tài)，即產(chǎn)生軸向共振，其共振頻率為：f=nc/2L，在矩形房間的三對平行表面間，只要其距離為半波長的整數(shù)倍，就可產(chǎn)生相應(yīng)方向上的軸向共振。在矩形房間中，除了上述三個方向的軸向駐波外，聲波還可在兩維空間內(nèi)產(chǎn)生駐波，稱切向駐波；同樣，還會出現(xiàn)三維的斜向駐波。
聲波存在的空間叫做聲場。被研究的聲場有擴(kuò)散聲場，即聲源向四方傳播，沒有反射。這種能使室內(nèi)任一位置上的聲波可以沿所有方向傳播的聲場稱為擴(kuò)散聲場。這里所說的："擴(kuò)散"，具有明確的．物理意義。嚴(yán)格意義上的擴(kuò)散聲場必須滿足以下三個條件：(1)室內(nèi)的聲能密度均勻，即聲能密度處處相等；(2)聲能在室內(nèi)各個方向傳遞的幾率相等；(3)從室內(nèi)各個方向到達(dá)任一點的聲波，其相位是無規(guī)的。在這樣的聲場中，聲波無論在空間位置上，還是在傳播方向上都不會一成不變地"聚集"在一起，而是隨著傳播過程的進(jìn)行逐漸擴(kuò)展，并分散開來，直至充滿全部空間并遍及所有方向。
惠更斯原理波所到達(dá)的每一點，都可以看作新的波源，從這些行的波源發(fā)出次波來，新的渡陣面就是這些次波的包跡。 包跡亦叫包絡(luò)線，次波的包跡就是包住這些次波的軌跡線。% q4 a+ f: X3 V2 F3 u+ z0 F 在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播的波，根據(jù)惠更斯原理求出的波陣面的幾何形狀是不變的，即平面波還是平面波，球面波還是球面波，這是因為在各個方向上波的傳播速度是不變的。在非均勻介質(zhì)中，波的傳播速度要改變，因此根據(jù)惠更斯原理得出的波陣面形狀就會發(fā)生變化，亦即波的傳播方向會發(fā)生變化。這是符合實際情況的。" i' M8 W4 @9 Z6 W x 波在傳播過程中遇到障礙物時，傳播方向要發(fā)生變化，發(fā)生繞過障礙物的衍射現(xiàn)象，也叫繞射現(xiàn)象，聲波的頻率越低，繞射的現(xiàn)象越明顯。
聲源的指向性己寸比聲波波長小得多時，可看成是“點聲源"。它向所有方向等量地輻射聲音，所以是沒有方向性的。當(dāng)聲源的尺度與聲波波長相差不多，或大于波長時，就不能看成是點聲源了，而應(yīng)看成是許多點聲源的組合，因而向各方向輻射的聲音能量就不同了，即具有指向性。與波長相比，聲源尺度越大，其指向性就越強。頻率越高指向性越強，而指向性越強，則直達(dá)聲越集中在聲源輻射的軸線附近。在與發(fā)聲者距離相同的前后位置，對于高頻語言聲，其響度可相差一倍以上。所以，在堂形體設(shè)計及揚聲器布置時，均需考慮到聲源的指向性。
當(dāng)波源與波的接收者之間以一定速度作相對運動時，接收者所接收到的頻率(或波長)，這就是多普勒效應(yīng)。當(dāng)波源與波的接收者之間做相向運動即相互靠近時，接收者接收到的頻率就會升高；當(dāng)波源與接收者之間做反向運動即相互遠(yuǎn)離時，接收者接收到的頻率就會變低。聽疾駛而來的火車鳴笛聲，先是升高，然而當(dāng)火車掠身而過再向后駛?cè)r，笛聲又降低。 聲學(xué)的基本概念 一般的聲波都不是純粹的正弦波，所有的周期振動都可以分解成各種頻率、振幅和位相的正弦波，看成是它們的疊加。我們把頻率最低的叫做基頻 (Foundamental Frequency)，其倍頻叫做諧波(Harmonics)或泛音(Over Tone)。+ H0 g/ N% y/ W" c( U 人們之所以能夠聽到聲音，是由于聲波振動引起的，并通過傳聲媒質(zhì)（如：空氣、水、混凝土等彈性物質(zhì)）傳播進(jìn)入人耳。在反射聲中較早到達(dá)人耳的聲波較強，這個較強的反射波稱之為早期反射聲，在此之后的反射聲的總和稱為混響聲。% J# M9 w2 k* q% o+ | 從聲源或振動源不經(jīng)過任何反射直接傳入人耳的叫“直達(dá)聲”，它的傳播時間和路程最短，直達(dá)聲最接近于原始聲音，最清晰。聲音通過物體反射傳入人耳的叫“反射聲“。人的雙耳距離大約有15~17厘米，這個距離使人耳具有非常準(zhǔn)確的判斷聲源位置的特性。比如說：聲音從左方首先進(jìn)入左耳，右耳聽到的聲音比左耳晚一些其時間差=雙耳距離/聲速，為0.44~0.5mS。這個時間差使聽音者感覺聲音來自左方。所以直達(dá)聲對判別聲源的位置起決定性作用。因此人們在欣賞音樂時具有立體感和空間感。
早期反射聲是在室內(nèi)聲場的反射聲中較早到達(dá)人耳的聲波較強，這個較強的反射波稱之為早期反射聲。早期反射聲可以加強直達(dá)聲，展寬聲源。早期反射聲時間的長短，可以使人感覺聲場的大小。以室內(nèi)聲場的聲能密度衰減到原始值的百萬分之一時所經(jīng)過的時間進(jìn)行量度，稱為混響時間。因此，混響時間可定義為室內(nèi)聲音已達(dá)到穩(wěn)態(tài)后停止聲源發(fā)聲，平均聲能密度自原始值衰減60分貝所需的時間，并用T60或RT表示。 塞賓公式：T60=0.161V/Sa V--房間容積 S--室內(nèi)總表面積 a--室內(nèi)平均吸聲系數(shù) 伊林公式：T60=0.161V/-Sln(1-a)+4mV 4m--空氣衰減系數(shù) 伊林公式不僅考慮了室內(nèi)表面的吸聲，且考慮；際上．當(dāng)房間較大時，空氣對頻率較高的聲音 (2kHz以上)也有較大的吸收。這種吸收主要取決于空氣的相對濕度和溫度的影響。
聲波存在的空間叫做聲場。被研究的聲場有擴(kuò)散聲場，即聲源向四方傳播，沒有反射。這種能使室內(nèi)任一位置上的聲波可以沿所有方向傳播的聲場稱為擴(kuò)散聲場。這里所說的："擴(kuò)散"，具有明確的．物理意義。嚴(yán)格意義上的擴(kuò)散聲場必須滿足以下三個條件：(1)室內(nèi)的聲能密度均勻，即聲能密度處處相等；(2)聲能在室內(nèi)各個方向傳遞的幾率相等；(3)從室內(nèi)各個方向到達(dá)任一點的聲波，其相位是無規(guī)的。在這樣的聲場中，聲波無論在空間位置上，還是在傳播方向上都不會一成不變地"聚集"在一起，而是隨著傳播過程的進(jìn)行逐漸擴(kuò)展，并分散開來，直至充滿全部空間并遍及所有方向。
自由聲場：媒介是均勻的，各向同性，并足夠大，以致于邊界影響忽略不計，沒有任何障礙物的聲場0 j$ @% M- T4 l 在一般情況下，擴(kuò)散聲場的條件是難以滿足的，但在一定條件下，把不規(guī)則的大房間中的聲場近似地作為擴(kuò)散聲場處理，所得的結(jié)果與實際情況相差不大。然而，如果房間的形狀簡單而規(guī)則，情況則不然。這時在室內(nèi)就可能出現(xiàn)聲場的嚴(yán)重"不擴(kuò)散"狀況，聲波就可能在某些位置或某些方向上特別加強，而在另一些位置或方向上特別削弱。例如在圓形大廳中，聲波將聚集在大廳中部；在正方形房間中，沿某些方向的駐波將較強等等。為了盡可能在室內(nèi)形成擴(kuò)散聲場，應(yīng)避免采用凹形壁面，而凸面反射體的正確使用，則是使室內(nèi)聲場趨向擴(kuò)散的一種有效方法。這種能夠促進(jìn)聲場擴(kuò)散的反射體通常稱為聲擴(kuò)散體。
聲波傳播中的衰減與聲波傳播的距離有關(guān)，聲波原來具有的能量越多，傳播的距離越大，那吸收的聲能量也就越多，聲強的改變相應(yīng)越大。聲強變化的大小與聲強及傳播距離成正此關(guān)系。聲強按指數(shù)函數(shù)規(guī)律隨距離增加而衰減。聲壓也是按指數(shù)函數(shù)的規(guī)律隨距離衰，不過比聲強的衰減要緩慢。聲源發(fā)出的聲能無阻擋的向遠(yuǎn)處傳播，接收點的聲能密度與聲源距離每增加1倍衰減6dB。與空氣的吸收有關(guān)，聲音是在室外長距離傳播時，地面之上的溫度差 (梯度)將會影響聲音的傳播，聲音的折射是指聲音傳播方向的變化，這是由于其速度會因溫度的提高而稍微加快。干燥空氣比濕的空氣對聲音的衰減要大一些。這種影響只是在2kHz以上時十分明顯。這就是說隨著距離的增加，高頻的衰減要此低頻的大一些，并且當(dāng)相對濕度在20％或稍低時衰減量是最大的，既空氣溫度升高或濕度增大時，衰減系數(shù)相應(yīng)降低。與聲音的頻率有例如，頻率為400Hz和8kHz的平面波，在空氣中傳播1000rn后，從聲壓級降低的數(shù)值中發(fā)現(xiàn)頻率較低的聲波衰減不大，而對于高頻率、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘?，衰減是相當(dāng)可觀的。在聲源近處，由于聲波的逸散而產(chǎn)生的衰減量占主要地位；在聲源遠(yuǎn)處，由聲吸收產(chǎn)生的衰減量將轉(zhuǎn)化為主要因素。與使用的吸聲材料的吸聲系數(shù)有關(guān)，一些松散的多孔材料或內(nèi)部自身摩擦很大的阻尼材料，會強烈地吸收聲波。與聲能量的轉(zhuǎn)換有關(guān)，既間內(nèi)某一物體時損聲波每次撞擊某一邊界表面或房間內(nèi)某一物體時損失了多少聲能。 聲波的傳播,聲的繞射、反射和折射，聲波的獨立傳播定律& f; j U" i2 h& ~ o1 c 機(jī)械波在均勻介質(zhì)中傳播時，傳播方向不會改變；機(jī)械波在非均勻介．一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的界而時，會發(fā)生反射或折射，即一部分反射，一部分透射，一部分被吸收，當(dāng)波在傳播中遇到障礙時，會發(fā)生繞過障礙的現(xiàn)象，聲波就是這樣的。
惠更斯原理波所到達(dá)的每一點，都可以看作新的波源，從這些行的波源發(fā)出次波來，新的渡陣面就是這些次波的包跡。 包跡亦叫包絡(luò)線，次波的包跡就是包住這些次波的軌跡線。% q4 a+ f: X3 V2 F3 u+ z0 F 在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播的波，根據(jù)惠更斯原理求出的波陣面的幾何形狀是不變的，即平面波還是平面波，球面波還是球面波，這是因為在各個方向上波的傳播速度是不變的。在非均勻介質(zhì)中，波的傳播速度要改變，因此根據(jù)惠更斯原理得出的波陣面形狀就會發(fā)生變化，亦即波的傳播方向會發(fā)生變化。這是符合實際情況的。" i' M8 W4 @9 Z6 W x 波在傳播過程中遇到障礙物時，傳播方向要發(fā)生變化，發(fā)生繞過障礙物的衍射現(xiàn)象，也叫繞射現(xiàn)象，聲波的頻率越低，繞射的現(xiàn)象越明顯。
1．聲波的鏡像 反射聲波在前進(jìn)過程中，如果遇到尺寸大于波長的界面，則聲波將被反射。這以用鏡像反射定律來說明：入射聲線。反射聲線和界面的法線在入射聲線和反射聲線分居法線兩側(cè)同一平面內(nèi)入射聲線和反射聲線分居法線兩側(cè)，入射角等于反射角。反射的聲能與界面的吸聲系數(shù)有關(guān)。$ w. u8 T0 ?+ |# k" g$ M 。
2．聲波的擴(kuò)散反射 聲波在傳播的過程中，如果遇到一些凸形的界面，就會被分解成許多較小的反射聲波，并且使傳播的立體角擴(kuò)大，這種現(xiàn)象稱之反射。適當(dāng)?shù)穆暡〝U(kuò)散反射，可以促進(jìn)聲音分布均勻，并可防止一些聲學(xué)缺陷的出現(xiàn)。但是，這些表面的凸出和粗糙不平處，最小需要達(dá)到聲波波長的1／7時才能起到擴(kuò)散作用。擴(kuò)散反射可分為完全擴(kuò)散反射和部分?jǐn)U散反射兩種。前者是將入面八方反射，即反射的方向分布完全與入射方向無關(guān)，后者是指反射同時具有鏡像和擴(kuò)散兩種性質(zhì)，即部分作鏡像反射，部分作擴(kuò)散反射。在室內(nèi)聲學(xué)中大多數(shù)的情況都是部分?jǐn)U散反射。
聲源的指向性己寸比聲波波長小得多時，可看成是“點聲源"。它向所有方向等量地輻射聲音，所以是沒有方向性的。當(dāng)聲源的尺度與聲波波長相差不多，或大于波長時，就不能看成是點聲源了，而應(yīng)看成是許多點聲源的組合，因而向各方向輻射的聲音能量就不同了，即具有指向性。與波長相比，聲源尺度越大，其指向性就越強。頻率越高指向性越強，而指向性越強，則直達(dá)聲越集中在聲源輻射的軸線附近。在與發(fā)聲者距離相同的前后位置，對于高頻語言聲，其響度可相差一倍以上。所以，在堂形體設(shè)計及揚聲器布置時，均需考慮到聲源的指向性。
