【正文】 電子音響技術(shù) 基本知識(shí) 青島超音波電子系統(tǒng)工程有限公司 高級(jí)調(diào)音師 王征 一、聲音的基礎(chǔ)知識(shí) ? 聲音是世界上很重要的物理現(xiàn)象 ， 與日常生活 、 工作 、 學(xué)習(xí)關(guān)系密切 ， 它的存在又極其普遍 。 ? 自然：風(fēng)聲 、 雨 、 雷聲 、 心跳 、 水流 ? 工業(yè)：車 、 船 、 機(jī) 、 工廠 ? 人文：語言 、 音樂 、 歌聲 一、聲音的基礎(chǔ)知識(shí) ?聲音是世界上很重要的物理現(xiàn)象 ，與日常生活 、 工作 、 學(xué)習(xí)關(guān)系密切 ，它的存在又極其普遍 。 ?自然：風(fēng)聲 、 雨 、 雷聲 、 心跳 、 水流 ?工業(yè)：車 、 船 、 機(jī) 、 工廠 ?人文：語言 、 音樂 、 歌聲 ? 定義：聲音是粒子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果 ， 即物體振動(dòng)產(chǎn)生的聲波 ， 通過介質(zhì)對(duì)人耳產(chǎn)生的感覺叫聲音 。 ? 聲音的分類與應(yīng)用 ⑴分類 ? 研究聲音的學(xué)科叫 聲學(xué) ， 按研究對(duì)象不同 ， 可分為： ? 語言聲學(xué)：研究人的發(fā)音結(jié)構(gòu)與方法等生理聲學(xué) ? 音樂聲學(xué)：研究音樂與聲音的關(guān)系 ? ① 研究樂器結(jié)構(gòu) 、 制作 、 音域 、 音色 ——器樂聲學(xué) ? ② 研究發(fā)聲 、 氣息 、 共鳴等 ——聲樂聲學(xué) ? ③ 研究音律關(guān)系 、 數(shù)據(jù)及使用 ——音樂律學(xué) ? 電子聲學(xué)：研究通過電子電路把聲音進(jìn)行各種特性的加工處理 ? 建筑聲學(xué)：研究廳堂建筑設(shè)計(jì)與聲學(xué)關(guān)系 ? 噪 聲 學(xué)：研究噪聲的危害與利用 ⑵應(yīng)用 ? 聲 納：水下軍事：蝙蝠 （ 利用聲音的波長(zhǎng)與反射 ） ? 超 聲 波：工程爆破 （ 利用大于 20KHz聲波刺激 ） ? 聲 控：電子工業(yè) ? 語音識(shí)別：刑偵 、 保密 （ 利用音色的頻譜曲線 ） ? 音樂醫(yī)療：調(diào)節(jié)心神 、 緩解情緒 （ 利用音樂聲學(xué)的暗示作用 ） ? 次 低 聲：軍事（利用低于 20Hz的次低聲波振動(dòng)頻率干擾人體固定的共振頻率（ 317Hz） ⑶噪聲及危害 ? 噪 聲：大于 90分貝 ， 且人們主觀不需要的聲音 ? 聽覺界限： 2020KHz （ 超過 55分貝即產(chǎn)生不舒服感 ） 危害 ? 人體：影響壽命 、 損壞內(nèi)臟 、 擾亂新陳代謝 ? 神經(jīng)：頭暈 、 失眠 、 衰弱 、 易產(chǎn)生疲勞 、降低工作效率 音量 類比 ? 130分貝 噴射機(jī)起飛聲音 110分貝 螺旋漿飛機(jī)起飛聲音 105分貝 永久損聽覺 100分貝 氣壓鉆機(jī)聲音 90分貝 嘈雜酒吧環(huán)境聲音 85分貝及以下 不會(huì)破壞耳蝸內(nèi)的毛細(xì)胞 80分貝 嘈雜的辦公室 75分貝 人體耳朵舒適度上限 70分貝 街道環(huán)境聲音 50分貝 正常交談聲音 20分貝 竊竊私語 按普通人的聽覺 ? 0 － 2 0 分貝 很靜、幾乎感覺不到； 2 0 － 4 0 分貝安靜、猶如輕聲絮語； 4 0 － 6 0 分貝一般。普通室內(nèi)談話； 6 0 － 7 0 分貝吵鬧、有損神經(jīng)； 7 0 － 9 0 分貝很吵、神經(jīng)細(xì)胞受到破壞。 9 0 － 1 0 0 分貝 吵鬧加劇、聽力受損； 1 0 0 － 1 2 0 分貝難以忍受、呆一分鐘即暫時(shí)致聾。 120分貝以上：極度聾或全聾 二、聲音的傳遞 ? 聲音的傳播過程 （ 自然狀態(tài) ） ：當(dāng)一個(gè)物體受外力作用時(shí) ， 產(chǎn)生一個(gè)往復(fù)的彈性振動(dòng) ，這樣就產(chǎn)生了聲波 ， 經(jīng)過介質(zhì) （ 物體 、 空間或水 ） 向四面八方傳播 。 當(dāng)人耳接受聲波的振動(dòng) ，通過聽覺神經(jīng)傳達(dá)給大腦 。 （ 如下圖 ） 聲音的傳送（人為狀態(tài)）： ?有線傳送（ 1806年貝爾發(fā)明電話） 無線（ 1844年，電報(bào)發(fā)明）有線載波（一線傳多種信息） 光纖與光纜（速度： 10GB/S） 三、聲音的物理特性 ? 聲音的構(gòu)成及關(guān)系 ? 客觀：振幅 （ 大 、 小 ） ；頻率 （ 快 、 慢 ） ； ? 主觀：響度；音調(diào) （ 音高 ） ；音色 （ 音品 ） ? 振幅：聲波的振動(dòng)幅度 ， 它的大小影響人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的感覺強(qiáng)度 （ 即響度 ） 單位：分貝（ dB） ? 頻率：聲波每秒鐘振動(dòng)的次數(shù) 。 它直接影響人耳對(duì)聲音高低 （ 音調(diào) ） 的感覺 。 單位：赫茲（ Hz） ? 諧波：指聲波的波形 。 包括瞬間狀態(tài) 。 它直接影響人們對(duì)聲音音質(zhì)差異 （ 音色 ） 的感覺 。（ 如樂器不同 ， 相同的 “ i”聽覺則不相同 。 ） 聲音的傳播 ? ⑴ 直達(dá)聲：是室內(nèi)任一點(diǎn)直接接收到聲源發(fā)出的聲音 。 ? 它是接收聲音的主體 ， 又叫主達(dá)聲 ， 不受空間界面影響 ， 其聲強(qiáng)基本上是與聽點(diǎn)到聲源間距離的平方成反比衰減 。 ? ⑵ 早期反射聲：指延遲直達(dá)聲 50ms以內(nèi)到達(dá)聽聲點(diǎn)的反射聲 ， 對(duì)聲音起到增強(qiáng)作用；在大空間內(nèi) ， 因反射距離遠(yuǎn) ， 易形成回聲 ， 產(chǎn)生空間感 。 ? ⑶ 混響聲：聲波經(jīng)室內(nèi)界面的多次反射 ， 遲于早期反射聲到達(dá)聽點(diǎn)的聲音 ， 直至聲源停止發(fā)聲 ， 但由于多次反射 ， 聽點(diǎn)仍能聽到 ， 故又稱余聲 ， 影響聲音的清晰度 。 ? 混響時(shí)間：在一個(gè)聲場(chǎng)中 ， 一個(gè)聲音的聲壓級(jí)衰減60dB所需要的時(shí)間 ， 用 T60來表示 。 單位：秒 （ s） ? T60=(賽賓公式 ) ? V：聲場(chǎng)總?cè)莘e ? S：聲場(chǎng)的表面積 ? a：聲場(chǎng)的建筑裝飾材料的平均吸聲系數(shù) 。 ? 例：某段音樂的聲壓級(jí)為 90dB，此時(shí)中止音樂，音樂聲逐漸減弱，當(dāng)其聲壓級(jí)從 90dB降至 30dB時(shí)可需時(shí) ，那么，此房間的混響時(shí)間為 。 ? ⑷ 聲音的繞射與散射： ? 聲波在傳播過程中遇到障礙物 ， 能夠繞過障礙物的邊緣前進(jìn) ， 這種現(xiàn)象叫波的繞射 ， 又叫聲衍射 。 ? 當(dāng)聲波波長(zhǎng)大于障礙物尺寸但在 10倍以內(nèi)時(shí) ，障礙物會(huì)化成一個(gè)聲源使聲波向四周散射 ， 這種現(xiàn)象叫聲波的散射 。 ? 例一：聲源處于人的背后時(shí) ， 由于人耳殼的遮蔽作用 ， 聲源中低頻音會(huì)繞過耳廊使人聽到 ，而聲源中的高頻音則在人耳處形成聲影區(qū)使其減弱 。 ? 例二：音樂會(huì)時(shí) ， 后排座的聽眾聽到的低頻強(qiáng) 、高頻弱 ， 即是因?yàn)榈皖l可繞射 ， 而高頻音散射的原因 。 聲音的指向性與覆蓋面積： ? 高頻 （ 500 Hz——5KHz） 聲音指向性很強(qiáng) 覆蓋角度窄小 、 射程遠(yuǎn) 、 穿透力強(qiáng) ? 中頻 （ 150Hz——5kHz） 有一定指向性 覆蓋面積比較容易控制 ? 低頻 （ 低于 150Hz) 指向性不明顯 向四面輻射 、 聲功能損失大 、 傳播距離近 聲音的共振與共鳴 ? 聲音的振動(dòng)和傳播過程中 ， 有一種很重要的物理現(xiàn)象 ——共振 ， 也叫共鳴 。 ? 定義：當(dāng)策動(dòng)力變化的頻率跟物體的固有頻率相一致時(shí) ， 振動(dòng)的振幅就會(huì)特殊地增大到最高峰值 ， 這種現(xiàn)象叫共振 。 ? 例一：部隊(duì)行軍步伐的振動(dòng)頻率與橋梁的固有振動(dòng)頻率相一致時(shí) ， 會(huì)因共振的產(chǎn)生而坍橋 。 ? 例二：暖水瓶接水，聽到的聲音會(huì)由低頻逐漸變成高頻率聲音。水流擊水產(chǎn)生的聲音頻寬很寬，即有低頻、又有高頻。剛接時(shí)瓶的空間大固有振動(dòng)頻率低，水流擊水的低頻音產(chǎn)生共振，低頻加強(qiáng)，快滿時(shí)，水瓶的空間變小，共振腔變小，共振頻率提高，與水流擊水產(chǎn)生的高頻音產(chǎn)生共振，高頻加強(qiáng)，即聽到高頻音。 聲音的掩蔽現(xiàn)象與解決 ? 當(dāng)不同頻率的聲音在同一聲場(chǎng)中傳遞，各頻率之間會(huì)發(fā)生掩蔽現(xiàn)象。 現(xiàn)象一：聲音能量大的掩蓋聲音能量小的。 – 如銅管樂器掩蓋木管樂器 、 木管樂器掩蓋弦樂器 。 ? 解決： ⑴ 從樂隊(duì)編制解決 。 要求有合理的聲部和樂器分配 ， 調(diào)整好各聲部之間 、 各種樂器之間聲功能的平衡 。 ? ⑵ 從音樂結(jié)構(gòu)上解決 。 要有合理的和聲 、 配器 ， 使各聲部間平衡 。 ? ⑶ 從聲場(chǎng)音響上解決 。 ? a、 對(duì)不同音源選擇最適合表現(xiàn)這種樂器音色特性的話筒 。 ? b、 選擇拾取音源的最佳距離 、 高度 、 角度 。 ? c、 在調(diào)音臺(tái)上進(jìn)行音頻信號(hào)電平的處理 。 現(xiàn)象二：中頻聲音掩蓋高頻和低頻聲音。 ? 原因：人耳對(duì) 700——3000Hz的中頻率聲音聽覺最為靈敏 ， 在聲音強(qiáng)度相同的情況下 ， 優(yōu)于并強(qiáng)于對(duì)高 、 低聲音的聽覺 。 ? 解決：減少中頻輸入 ， 適當(dāng)增加高低頻尤其是低頻音輸出 。 ? 現(xiàn)象三：高頻率聲音掩蓋低頻聲音 。 ? 如：板胡 、 京胡 、 笛子等高音樂器掩蓋貝斯提琴 、 大提琴 、 巴松等低音樂器 。 ? 原因：高頻音聲波較短 、 指向性強(qiáng) 、 穿透力強(qiáng) 、 射程遠(yuǎn) ， 對(duì)人耳刺激明顯 ， 低頻音有繞射特性 ， 散射強(qiáng) ，功能損失大 。 ? 解決：適當(dāng)降低高頻音 ， 增加低頻音 。 ? 對(duì)不同的樂器拾音時(shí)選擇合適話筒 ， 掌握好距離角度 。 四、人耳的聽覺特征 ? 振動(dòng)產(chǎn)生聲波 ， 聲波傳播至耳 ， 耳膜受到聲壓變化刺激聽覺神經(jīng) ， 聽覺神經(jīng)傳入大腦中樞 ， 形成聲音的存在感覺 。 ? 聲音的產(chǎn)生是物理現(xiàn)象 ， 人對(duì)聲音的感覺是生理 心理活動(dòng) 。 構(gòu)成人耳聽覺特性的要素 ? 構(gòu)成聲音產(chǎn)生與存在的客觀因素是：振幅 、 頻率 、 諧波 ? 構(gòu)成人耳對(duì)聲音的聽覺特性的要素是：響度、音調(diào)、音色 ? ⑴ 響度：是人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的感覺程度 。 它首先決定于聲音的振幅 ， 其次是頻率 。 聲學(xué)中把描述響度 、 振幅 、 頻率之間的關(guān)系曲線叫等響度曲線 。 單位：分貝（ dB） ? 與振幅的關(guān)系： a、 聲壓級(jí)越高 ， 人耳感覺聲音響度越大 b、 人耳的聲壓范圍是： 0——120 dB ? 與頻率的關(guān)系： a、 4—5KHz附近的聲音最響 ， 因外耳道與其產(chǎn)生共鳴 b、 低聲壓時(shí) ， 低頻區(qū)的音響度大于高頻音的響度 c、 常見聲源的聲壓級(jí) dB ? 竊竊私語： 20——35 ? 女 高 音： 35——105 男高音： 40——95 ? 小 提 琴： 40——100 交響樂： 80 dB ? 小 鼓： 55——105 打 雷： 120 dB ? 教師講話： 50——60 飛機(jī)起飛 （ 3m處 ） ： 140 dB ? ⑵ 音調(diào) （ 音高 ） ：是人耳對(duì)聲音高低的感覺 ， 其變化主要取決于聲音頻率的對(duì)數(shù)值 ， 其次是取決于聲音的振幅 。 ? 頻率越高 ， 人耳感覺的音調(diào)隨之升高 ， 頻率增加一倍 ，聲學(xué)中稱之增加一個(gè) “ 倍頻程 ” ， 音樂上叫 “ 提高一個(gè)八度 ” 。 音調(diào)單位：美 （ mei） 音調(diào)與頻率的關(guān)系： ? a、 人耳聽覺的頻率范圍： 20Hz——20KHz， 其中700——3000Hz為最靈敏區(qū) ? b、 語言的頻率范圍范圍是 100——10 KHz ? 音樂的頻率范圍是 50——15 KHz ? 音調(diào)與聲壓 （ 振幅 ） 的關(guān)系： ? a、 1K——2 KHz 以上的高音區(qū) ， 聲壓增大感覺音調(diào)提升 ? b、 500 Hz以下的聲音 ， 聲壓增大 ， 感覺聲音低沉 ， 音調(diào)下降 ? ⑶ 音色 （ 音品 ） ：指聲音的音調(diào)和響度以外的音質(zhì)差異 。它與聲音的頻譜結(jié)構(gòu) 、 包絡(luò)和波形有關(guān) 。 發(fā)音體的泛音結(jié)構(gòu)不同頻率特性曲線 、 種類不同造成音色結(jié)構(gòu)的不同 。 ? 影響音色的因素： ? a、 結(jié)構(gòu)不同：弦 、 簧片 、 金屬 ? b、 質(zhì)料 、 質(zhì)地不同 、 金屬 、 人體 、 電子 ? c、 激發(fā)位置不同：氣息 、 聲帶 、 口形 、 吹奏或拉奏方法 ? d、 力度大小不同 ， p、 f（ 弱 、 強(qiáng) ） 影響音色 ? e、 共鳴體 （ 箱 、 腔 ） 大小不同：影響單元色的泛音結(jié)構(gòu) ? f、 振動(dòng)體的彈性：影響音色的始振特性和衰減特性 ? 聲帶：兒童 ——富有彈性 、 音色清脆明亮 ? 成人 ——聲帶松弛 、 音色蒼老 ? 哨片：軟 ——始振性慢 、 衰減也慢 ? 硬 ——始振性快 、 力度大 、 衰減也快 顱骨效應(yīng) ? 聲音從音源傳入大腦有兩個(gè)途徑， 一是 音源→ 空間 → 人耳 → 大腦，另一途徑是 音源→ 人體顱骨 → 大腦（小實(shí)驗(yàn)：雙手堵耳，發(fā)聲，仍可聽見）通過顱骨傳導(dǎo)聲音的現(xiàn)象叫顱骨效應(yīng)。 ? 現(xiàn)象一：聽自己的聲音 ， 有兩個(gè)途徑 ， 頻帶寬 ，音色好 。 ? 現(xiàn)象二：手表、鐘擺聲音仍可通過牙齒和顱骨傳遞到人的大腦神經(jīng)。 ? 應(yīng)用：當(dāng)練唱一首新歌時(shí) ， 對(duì)音高音調(diào)旋律無法準(zhǔn)確掌握時(shí) ， 大聲唱干擾環(huán)境 、 小聲唱自我感覺不明顯 ， 可用雙手掩耳來練唱 ， 可清晰感覺自己聲帶發(fā)聲的旋律 ， 準(zhǔn)確的音高和