聲學(xué)原理
作者:聲學(xué)小編 來(lái)源: 日期:2014-10-23 11:32 人氣:
聲波是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的,當(dāng)振動(dòng)在一定的頻率和強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí),人耳就可聽到。振動(dòng)發(fā)聲的物體稱為聲源。
聲源發(fā)聲后要經(jīng)過(guò)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(diǎn)振動(dòng)而向外傳播聲能,介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)只是振動(dòng)而不移動(dòng),所以聲音是一種波動(dòng)。波是振動(dòng)的傳播是振動(dòng)狀態(tài)的傳播,即振動(dòng)方向、振動(dòng)位相或振動(dòng)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(yùn)動(dòng)。即聲源的質(zhì)點(diǎn)并不隨聲波前進(jìn),他只在原地運(yùn)動(dòng),傳遞出的只是質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(qiáng)的變化,再通過(guò)人的耳膜對(duì)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(gè):1、必須要有振動(dòng)體或振動(dòng)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(chǎng)。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(diǎn)的振動(dòng)方向在一條直線上。同一時(shí)刻,同位相的振動(dòng)傳播到達(dá)點(diǎn)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(dòng)發(fā)出的波是平面波,點(diǎn)源振動(dòng)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(dòng)一個(gè)周期內(nèi)傳播的距離叫做波長(zhǎng)。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(dòng)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(shuō)明其聲波在周期運(yùn)動(dòng)中所達(dá)到的精確位置,通常用圓周的度數(shù)來(lái)表示。
振動(dòng)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(shí),就產(chǎn)生駐波。駐波形成時(shí),空間各處的介質(zhì)或物理量只在原位置附近作振動(dòng),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(guò)程中具有相互干涉作用。兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向相同且步調(diào)一致的聲源發(fā)出的聲波相互疊加時(shí)就會(huì)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(qiáng);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(chǎng)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(duì)于一般的節(jié)目素材,只要幾個(gè)峰和谷產(chǎn)生于每個(gè)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(shí)由于墻壁的反射也會(huì)出現(xiàn)聲波的干涉現(xiàn)象。如果是純音(正弦波)信號(hào),這種干涉現(xiàn)象必然會(huì)引起空間聲場(chǎng)的很大差異,即:有的地方聲波會(huì)加強(qiáng)、有的地方聲波會(huì)減弱甚至完全抵消,成為“死點(diǎn)”(聽不到聲音)。好在語(yǔ)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(jí)數(shù)展開是多個(gè)不同頻率、不同幅度的正弦波。所以有“此起彼落”“填平補(bǔ)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(hào)所產(chǎn)生的干涉效果不同,某些頻率信號(hào)加強(qiáng),另一些頻率信號(hào)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(dòng)聲學(xué)的駐波原理加以說(shuō)明。簡(jiǎn)單地說(shuō),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(shí),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(duì)平行表面間,只要其距離為半波長(zhǎng)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(gè)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(huì)出現(xiàn)三維的斜向駐波。
聲波存在的空間叫做聲場(chǎng)。被研究的聲場(chǎng)有擴(kuò)散聲場(chǎng),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(chǎng)稱為擴(kuò)散聲場(chǎng)。這里所說(shuō)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(chǎng)必須滿足以下三個(gè)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(gè)方向傳遞的幾率相等;(3)從室內(nèi)各個(gè)方向到達(dá)任一點(diǎn)的聲波,其相位是無(wú)規(guī)的。在這樣的聲場(chǎng)中,聲波無(wú)論在空間位置上,還是在傳播方向上都不會(huì)一成不變地"聚集"在一起,而是隨著傳播過(guò)程的進(jìn)行逐漸擴(kuò)展,并分散開來(lái),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(diǎn),都可以看作新的波源,從這些行的波源發(fā)出次波來(lái),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?yàn)樵诟鱾€(gè)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(huì)發(fā)生變化,亦即波的傳播方向會(huì)發(fā)生變化。這是符合實(shí)際情況的。" i' M8 W4 @9 Z6 W x 波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí),傳播方向要發(fā)生變化,發(fā)生繞過(guò)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(zhǎng)小得多時(shí),可看成是“點(diǎn)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(zhǎng)相差不多,或大于波長(zhǎng)時(shí),就不能看成是點(diǎn)聲源了,而應(yīng)看成是許多點(diǎn)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(zhǎng)相比,聲源尺度越大,其指向性就越強(qiáng)。頻率越高指向性越強(qiáng),而指向性越強(qiáng),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(duì)于高頻語(yǔ)言聲,其響度可相差一倍以上。所以,在堂形體設(shè)計(jì)及揚(yáng)聲器布置時(shí),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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收者所接收到的頻率(或波長(zhǎng)),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(yùn)動(dòng)即相互靠近時(shí),接收者接收到的頻率就會(huì)升高;當(dāng)波源與接收者之間做反向運(yùn)動(dòng)即相互遠(yuǎn)離時(shí),接收者接收到的頻率就會(huì)變低。聽疾駛而來(lái)的火車?guó)Q笛聲,先是升高,然而當(dāng)火車掠身而過(guò)再向后駛?cè)r(shí),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(dòng)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(dòng)引起的,并通過(guò)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(qiáng),這個(gè)較強(qiáng)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(dòng)源不經(jīng)過(guò)任何反射直接傳入人耳的叫“直達(dá)聲”,它的傳播時(shí)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(guò)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(gè)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(shuō):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(shí)間差=雙耳距離/聲速,為0.44~0.5mS。這個(gè)時(shí)間差使聽音者感覺聲音來(lái)自左方。所以直達(dá)聲對(duì)判別聲源的位置起決定性作用。因此人們?cè)谛蕾p音樂時(shí)具有立體感和空間感。
早期反射聲是在室內(nèi)聲場(chǎng)的反射聲中較早到達(dá)人耳的聲波較強(qiáng),這個(gè)較強(qiáng)的反射波稱之為早期反射聲。早期反射聲可以加強(qiáng)直達(dá)聲,展寬聲源。早期反射聲時(shí)間的長(zhǎng)短,可以使人感覺聲場(chǎng)的大小。以室內(nèi)聲場(chǎng)的聲能密度衰減到原始值的百萬(wàn)分之一時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間進(jìn)行量度,稱為混響時(shí)間。因此,混響時(shí)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(shí)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(shí),空氣對(duì)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(duì)濕度和溫度的影響。
聲波存在的空間叫做聲場(chǎng)。被研究的聲場(chǎng)有擴(kuò)散聲場(chǎng),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(chǎng)稱為擴(kuò)散聲場(chǎng)。這里所說(shuō)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(chǎng)必須滿足以下三個(gè)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(gè)方向傳遞的幾率相等;(3)從室內(nèi)各個(gè)方向到達(dá)任一點(diǎn)的聲波,其相位是無(wú)規(guī)的。在這樣的聲場(chǎng)中,聲波無(wú)論在空間位置上,還是在傳播方向上都不會(huì)一成不變地"聚集"在一起,而是隨著傳播過(guò)程的進(jìn)行逐漸擴(kuò)展,并分散開來(lái),直至充滿全部空間并遍及所有方向。
自由聲場(chǎng):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(jì),沒有任何障礙物的聲場(chǎng)0 j$ @% M- T4 l 在一般情況下,擴(kuò)散聲場(chǎng)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(chǎng)近似地作為擴(kuò)散聲場(chǎng)處理,所得的結(jié)果與實(shí)際情況相差不大。然而,如果房間的形狀簡(jiǎn)單而規(guī)則,情況則不然。這時(shí)在室內(nèi)就可能出現(xiàn)聲場(chǎng)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(qiáng),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(qiáng)等等。為了盡可能在室內(nèi)形成擴(kuò)散聲場(chǎng),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(chǎng)趨向擴(kuò)散的一種有效方法。這種能夠促進(jìn)聲場(chǎng)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(lái)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(qiáng)的改變相應(yīng)越大。聲強(qiáng)變化的大小與聲強(qiáng)及傳播距離成正此關(guān)系。聲強(qiáng)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(guò)比聲強(qiáng)的衰減要緩慢。聲源發(fā)出的聲能無(wú)阻擋的向遠(yuǎn)處傳播,接收點(diǎn)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(zhǎng)距離傳播時(shí),地面之上的溫度差 (梯度)將會(huì)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(huì)因溫度的提高而稍微加快。干燥空氣比濕的空氣對(duì)聲音的衰減要大一些。這種影響只是在2kHz以上時(shí)十分明顯。這就是說(shuō)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(duì)濕度在20%或稍低時(shí)衰減量是最大的,既空氣溫度升高或濕度增大時(shí),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(jí)降低的數(shù)值中發(fā)現(xiàn)頻率較低的聲波衰減不大,而對(duì)于高頻率、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘?hào),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(huì)強(qiáng)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(shí)損聲波每次撞擊某一邊界表面或房間內(nèi)某一物體時(shí)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(dú)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(shí),傳播方向不會(huì)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(shí),會(huì)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(shí),會(huì)發(fā)生繞過(guò)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(diǎn),都可以看作新的波源,從這些行的波源發(fā)出次波來(lái),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?yàn)樵诟鱾€(gè)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(huì)發(fā)生變化,亦即波的傳播方向會(huì)發(fā)生變化。這是符合實(shí)際情況的。" i' M8 W4 @9 Z6 W x 波在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí),傳播方向要發(fā)生變化,發(fā)生繞過(guò)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(guò)程中,如果遇到尺寸大于波長(zhǎng)的界面,則聲波將被反射。這以用鏡像反射定律來(lái)說(shuō)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(guò)程中,如果遇到一些凸形的界面,就會(huì)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(zhǎng)的1/7時(shí)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(wú)關(guān),后者是指反射同時(shí)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(zhǎng)小得多時(shí),可看成是“點(diǎn)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(zhǎng)相差不多,或大于波長(zhǎng)時(shí),就不能看成是點(diǎn)聲源了,而應(yīng)看成是許多點(diǎn)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(zhǎng)相比,聲源尺度越大,其指向性就越強(qiáng)。頻率越高指向性越強(qiáng),而指向性越強(qiáng),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(duì)于高頻語(yǔ)言聲,其響度可相差一倍以上。所以,在堂形體設(shè)計(jì)及揚(yáng)聲器布置時(shí),均需考慮到聲源的指向性。