声学基础讲义

1 声学基础声学基础讲义讲义讲义 贺志坚 教学内容教学内容：： 声音的概念和特性；声音的构成与作用；声音的传播规律以及人耳的听觉特征。 通过本章节的学习使学生掌握声音现象的物理性质以及人耳听觉的主观感觉等方面的规律特点。

教学重点、难点： 声音的构成声音的构成、、传播过程和方式以及人耳听觉的主观感受传播过程和方式以及人耳听觉的主观感受。。声音的物理学知识与应用声音的物理学知识与应用。。

教学准备：

声音的基础知识

声学是一门具有广泛应用性的学科，涉及到人类生产、生活及社会活动的各个方面；同时声学又是一门具有很强交叉渗透性的学科，与各种新学科、新技术相互作用，相互促进，我从科学、技术与艺术等几个方面，介绍一些声学的基础知识和最新进展。 一、声学的基本概念 声和音 讲到声学，当然首先就要讲什么是声音。所谓声，实际上有双重的含义，我们一般地理解，人的耳朵能够感觉到的声波的作用就称之为声，这么说大家都懂；但是从物理上讲，声是指在任何的弹性介质中传播的扰动，是一种机械波，从这个概念上来讲，声的范畴就很广。什么叫扰动呢？扰动是说在空气、固体或液体中的一个密度的、或者是压力的、或者是速度的一个小的变化，这个变化在这种弹性体里面就会传播出去，是能量传播出去，弹性物质本身并不传播，这么一个传递的能量就是声。在这么一个声的概念上，只要在弹性介质中有一个不稳定，就会产生声，所以声学研究的范畴相当的宽。 经常和声相连的一个字叫音，我们中国人讲声音声音，什么是音呢？音的定义是能够引起有声调的感觉的这么一种声，讲通俗一点，就是有意义的声。我在讲话时发出的这个声，你的耳朵听到以后，能够体会到有某一种含义在里面，或者是感觉到了某种意思，这个就是音。我国古代对声和音的关系已经有很好的认识和定义，老子就经常讲到声和音的关系，如“音声相和，前后相随”，“大音希声，大象无形，大器晚成”等等，这几句连着讲，意思就比较清楚了，所谓“大音希声”讲的通俗一点就是说有理不在言高，只要你道理能够说清，并不在于你的声波能量大小，这里的声就是物理的声了，而音就是说话里面的含义。在这里老子对音和声的定义已经很清楚。 一般讲到光学的重要性的时候，常说“百闻不如一见”，你听了很多遍，也不如看一眼，看一眼的信息量很大；但是声学有它的特殊性，大家都知道的一个成语叫做“未见其人，先闻其声”，一个比较熟悉的人从外边走过来，我们还没有看到这个人，就听他的脚步声，或者他在外边的嗓门很高，我们就听到是谁来了，然后就喊一嗓子说你赶紧进来，这就是声的特点。在没有看到，不透光的时候，你就能够听到它。这样声就有一些很特殊的一些应用，几乎所有的不透光的物体，都可以用声波来进行探测，比如说在海洋里面，水下光波和电磁波都衰减很快，对光来说，红外光波长最长，传播最远，到了几十米以下也就是衰减完了，所以到了海底是一片黑暗，这种情况下，声是在里面是唯一有效的、可以远距离传播的能量形式。 另外大家知道，语音是人和人之间的交流的一个最直接的有效手段，大家每天都在用语言来沟通，实际上人的思考也常常是用语言来进行，语音是把语言表述出来的物理形式。这个声，现在不仅用于人和人之间的这种沟通了，实际上人和机器之间的沟通，人机对话慢慢的也发展为一种主要的手段。我们看计算机的发展，现在已经小到这么一个笔记本，而笔记本电脑若去掉一个屏幕，去掉一个键盘，里面还有多少东西呢？就剩下了一个芯片。所以如果计算机可以使用语音作为输入输出界面的话，体积还可以小很多，到处都可以方便地使用。

1、定义:声学的定义很简单，就是研究声波的产生、传播、接收和效应的科学。通俗一点，就是关于声音的学问，就叫声学。

2、声学研究的频率范围

刚才讲到了声学研究的声波是一个扰动的传播，扰动就有快慢。声学研究的扰动是怎么样一个范围呢？广

-4赫兹开始，也就是每秒钟振动10-4次，反过来讲，就是一个周期104秒，非义的讲，声学研究的范围是从10

-4到20赫兹，这个范畴我们叫次声，这是人的耳朵听不到的声，就是变化很慢的声音。实际上人常非常慢。10

的耳朵对声波的响应范围很窄，是从20赫到2万赫，在这个范围以外，人的耳朵都听不见了，所以在这个范围

以内的声波称为可听声，2万赫以上的声叫超声。

次声频段的声波在大气物理、地球物理中都有很多的用处，地震，还有台风，像前几天南中国海刮过的“尤

它”，后来的“榴莲”等等一系列台风，都会产生次声，在几千公里以外，使用很灵敏的声学传感器就能接收到这

种信号，然后可以处理，可以定位，台风在什么地方，强度的大小，都可以知道。地震波监测实际上就是次声

监测，全国有很多的监测站，监测核爆炸产生的次声波，沿着地球的表面传播的情况。现在的国际核军控，声

学的办法也还是一种监测手段。

到了可听声的频段，大家就比较熟悉了。我们知道，走在马路边，感觉噪声很吵；到处使用的话筒、喇叭，

都是电声的研究范围；在一个房间里讲话能不能听得清楚，就是建筑声学的研究范畴。当然语言、音乐，都是

可听声的研究范围。到了2万赫以上，人的耳朵也听不见了，在超声频段声波可以干什么呢？大家最熟悉的可能是每年我们做体检，都要做B超，就是要用超声波来检测我们人体内有没有病变，有没有什么缺陷；另外超声还可以检查材料，检查工业上的一些东西；有一种大家很熟悉的动物把超声来作为它的眼睛来用的，那就是蝙蝠，它发出超声波，然后来探测它前面有没有障碍，随时拐弯，所以蝙蝠用的就是空气里面的声呐。

3声学研究的强度范围

声波的强度一般用声压表示。声压是指在平均压力水平（在空气中就是大气压）的基础上随时间变化的这

-5帕斯卡，一直研究到106帕斯卡。对这样的一个强度范围，在表述和使部分压力，声压的变化范围我们从10

用时很不方便，所以一般并不讲多少多少帕斯卡，也不讲压力是多少公斤大气压，那么用什么表示声压的强度

呢？是用分贝。分贝的概念现在已经用的很广泛了，大马路上都竖一个牌子说今天这个地方噪声多少分贝，那

么分贝的概念是什么？实际上分贝代表的是人的对声音的主观反映。在视觉上，由于背景的不同，往往一样高

的物体给人的感觉好像不一样高；把人的感觉强弱与原有的背景相关的这种普遍性是一个叫韦伯的人总结出来

的，所以叫做韦伯定理。对声学而言，也有同样的情况。人的耳朵对声音响度的感觉，与强度的对数成正比，

而不是单纯地与强度刺激本身成正比，这是什么意思呢？比如说我们的手的感觉，在手里什么都没有的情况下，

放一个粉笔头上去，就能很容易地感觉到；但是如果先给他放上一块砖头，然后再轻轻地放一个粉笔头在上面，

可能就很难感觉到了，这是什么原因呢？就是因为背景原来有了一个砖头在那里。这样的一个关系写成公式就

是，感觉和变化量成正比，同时还和原来的基础量成反比，这个关系两边求积分，得到的就是对数。所以说声

音的强度不是用线性量来描述的，而是用这样的一个变化量与基础量的比值的以十为底的对数值描述，单位是

贝尔，纪念发明家贝尔。再乘以10，就叫分贝，就是1／10贝尔。这是对能量的强度刺激而言的，对压力而言，因为能量和压力的平方成正比，所以声压级是以声压的对数乘以20。

用分贝的概念来表述声音强度的时候，我们所研究强度的范围，大概是从0分贝到180分贝。这里，0分

贝到20分贝之间，实际上是人的听阈，每人不一样。一个比较健康的听力很好的人，可能能够听到0分贝的声

音，听力稍微差一点的可能到了20分贝这时候才刚刚有感觉，所以低于20分贝是非常非常安静的情况。比如

到了乡村连虫叫都没有的地方，也许能够找到这么一方“静”土，但是一般情况下，现在到处都是很吵，所以很

难再有这么安静的地方，大概也只有在实验室还可以找到这样的一个区域。在这个以上，20—30分贝，是比较

理想的休息的场所，比如说很安静的卧室、病房里，非常非常安静，这时候你能够听到放在耳朵旁边的手表哒

哒的很响，蚊子叫也觉得很烦。到了40分贝，在一个不靠近马路边的比较安静的居民区里的书房或者是图书馆里，可以非常安心地看书、学习和思考的地方。一般的面对面的交谈，离的比较近，声级大概也就是50—60分贝。在一个商业的办公室里面，若有打字机、计算机等等，一般在60分贝左右，不超过70分贝，大家觉得就能够忍受。超过70分贝，到了80分贝，就是道路上平均的噪声情况，大型车辆通过的时候，就到了八九十分贝了，就会感觉很吵了。100分贝就到了施工工地了，现在每天大家听到灌水泥浆的声音，在那附近差不多就是100多分贝；还有时在马路上会看到工人在使用风钻，旁边的噪声就到100多分贝了，走过旁边，会觉得非常难听，非常吵。更高的声音，也不太常见，比如在喷气飞机起飞的时候，在100米以外，听到的差不多就是120分贝的声音。再高，比如说到喷气发动机25米的地方，就可能达到140分贝，这时候人的感觉已经不再是吵了，耳朵已经疼了。在朝上说，人的胸腔都要振动起来了，对人就有危险了。所以声学研究的范围是从差不多0分贝到200分贝，这可以说是极限，一般的到180分贝已经很难实现了，会产生严重的非线性效应，现在在实验室条件下可以实现180分贝的声强度。

2

4、声学的分类

⑴分类

研究声音的学科叫声学，按研究对象不同，可分为：

语言声学：研究人的发音结构与方法等生理声学

根据声学观点，语言的产生可分成三个部分：声源激励、声道调制和声波辐射，其中决定语声性质的是声源激励和声道调制。语言产生的研究内容包括：激励声源的特性、发声器官的工作状态和声道的声学性质等。所采用的研究方法，大多是用电-力-声类比的方法，以建立声带波产生的模型、声道模型和语言产生的参量模型。

音乐声学：研究音乐与声音的关系

①研究乐器结构、制作、音域、音色——器乐声学

②研究发声、气息、共鸣等——声乐声学

③研究音律关系、数据及使用——音乐律学

电子声学：电声学是研究声电相互转换的原理和技术，以及声信号的存储、加工、传递、测量和利用的科学。它所涉及的频率范围很广泛，从极低频的次声一直延伸到几十亿赫的特超声。不过通常所指的电声，都属于可听声范围。

建筑声学：研究厅堂建筑设计与声学关系

建筑声学的基本任务是研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法，以保证室内具有良好听闻条件；研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。室内声学设计内容包括体型和容积的选择，最佳混响时间及其频率特性的选择和确定，吸声材料的组合布置和设计适当的反射面，以合理地组织近次反射声等。

声学设计要考虑到两个方面，一方面要加强声音传播途径中有效的声反射，使声能在建筑空间内均匀分布和扩散，如在厅堂音质设计中应保证各处观众席都有适当的响度。另一方面要采用各种吸声材料和吸声结构，以控制混响时间和规定的频率特性，防止回声和声能集中等现象。设计阶段要进行声学模型试验，预测所采取的声学措施的效果。

二声音的传播原理

声学作为一门科学，它就是要研究声音这么一个范畴中的规律，要建立定律。在声音这个范畴里面，有各种各样的现象，声学就是要建立各种各样的方程、定律来描述这些现象；创造是要发现和发明一些新的东西，当然新的东西不是常常能够发明的，能够揭示我们过去不知道的声学现象，也叫做创造。比如说人耳的听觉机理，声音的刺激怎样变成电信号并进入大脑，像这样的一些现象都是通过研究了以后，找到其规律，就是一个发现和创造的过程。然后要理解，在理解一些声学现象的基础上，发展新的预测性理论。一个人在这边讲一句话，在远处听到的是什么样的效果，跟这儿讲的话有什么样的联系，类似这样的一些关系，都需要在理解的基础上建立起来一些规律才能说明白。所以我们说，声学首先是一门科学，声学的生命力也就在于科学的物理基础，有了这些基础，声学才能朝前发展。

1 声波的产生

声波的产生机制

首先要研究的是声波的产生，比如在研究语音识别、语音合成这些技术性的问题之前，就先要理解语音是怎么产生的。现在我们知道，语音产生动力源于肺，肺产生压缩空气，然后通过气管、喉、口腔、鼻腔、牙齿、嘴唇等等这一套器官调制以后，再喷射出来，就产生了语音。专业的歌手发出乐音时，还要使用胸腔，而不仅仅是喉咙。

对乐器和人的发音原理的研究是从激励器、共鸣器、辐射器三大部件来入手，以求得最高的发音效率和优美的音色。简单的响器，其激励、共鸣、辐射合为一体，如锣；电子合成乐器则用电路来模仿激励器和共鸣器，辐射器就是扬声器。

音乐家以音强、音高、音色(或称为音品)作为乐音三大要素，客观上决定任一声音的物理参量是声压、时程和频谱。对乐音而言，声压决定它的强度或响度感觉，频谱决定它的音色。音高在声学上称为音调，由频谱中的基音频率决定。若基音消失，音调的感觉不变，由谐音系列的结构决定。

3

4

2 声波的传播

声速声速也称音速也称音速，即声音在介质中传播之速度。音波可以在固体、液体或是气体介质中传播，介质密度愈大，则音速愈快。在空气中，音速又会依空气之状态（如湿度、温度、密度）不同而有不同数值。如攝氏零度之海平面音速约为 331.5m/s(1193 km/h)；一万米高空之音速约为 295m/s(1062 km/h)；另外每升高1摄氏度，音速就增加0.607m/s 。

1635年有人用远地枪声测声速，以后方法又不断改进，到1738年巴黎科学院利用炮声进行测量，测得结果折合为0℃时声速为332米/秒，与目前最准确的数值331.45米/秒只差0.15%，这在当时“声学仪器”只有停表和人耳和情况下，的确是了不起的成绩。经过严格推导，声速公式为：

式中ρ为介质的密度；K=dp/(dρ/ρ),称为体积弹性模量，dp 、dρ分别为压强和密度的微小变化。对于液体和固体，K 和ρ随温度和压强的变化很小,主要是随介质不同而异，所以在同一介质中，声速基本上是一个常数。对于气体，K 和ρ随压强和温度的变化很大,故按体积弹性模量的定义，以用下式计算更为方便：

声波能量产生了以后是要传播的，因为根据声的定义，声就是扰动的传播。从我的嘴巴到你的耳朵，中间的这个过程，是不是说就是一个直线过去？不是这么简单，它实际上有各种各样的渠道过去，从地面反射过去，从天花板反射过去，从我背后的墙反射过去，像这样的一个复杂的环境，声波传到你的耳朵，变化已经非常大了，到底变成了什么样，就需要研究。如果不能研究清楚，建造了一个音质很糟的厅堂，这边讲的话，那边听到的声音可能很响，但并不能听懂说话人说的什么意思，传播的效果就没法控制，所以说就需要先认识声波是怎么传播的。 ⑴直达声：是室内任一点直接接收到声源发出的声音。 它是接收声音的主体，又叫主达声，不受空间界面影响，其声强基本上是与听点到声源间距离的平方成反比衰减。 ⑵早期反射声：指延迟直达声50ms 以内到达听声点的反射声，对声音起到增强作用；在大空间内，因反射距离远，易形成回声，产生空间感。

⑶混响声：声波经室内界面的多次反射，迟于早期反射声到达听点的声音，直至声源停止发声，但由于多次反

射，听点仍能听到，故又称余声，影响声音的清晰度。

混响时间：在一个声场中，一个声音的声压级衰减60dB 所需要的时间，用T60来表示。单位：秒（s ） T60=0.16V/Sa (赛宾公式) V：声场总容积 S：声场的表面积 a：声场的建筑装饰材料的平均吸声系数。

例：某段音乐的声压级为90dB ，此时中止音乐，音乐声逐渐减弱，当其声压级从90dB 降至30dB 时可需时1.2秒，那么，此房间的混响时间为1.2秒。 有线传送（1806年贝尔发明电话） 无线（1844年，电报发明）有线载波（一线传多种信息） 光纤与光缆（速度：10GB/S ） 3 声波的接收

声波的接收首先要研究听觉的机理，它是声学里面最让人感兴趣的课题之一，因为它直接与人有关。人感受到声音首先是通过耳朵，所以听觉一直是一个非常热闹的研究方向，也是声学里唯一得了诺贝尔奖的一个分支学科。整个来说，听觉机理包括几个学科的交叉。首先外面有声音传播进入到耳朵里来，这是一个物理的过程：声波从外面的一个扰动，通过传播，进入了人的耳朵，然后在鼓膜上产生了响应，带动了耳膜后的一个耳骨，耳骨的运动在耳蜗中，也就是在一个像蜗牛形状的这么一个东西里面，产生一个响应，耳蜗周围有一些毛细的细胞，

会刺激里面的皮层，然后产生电的响应，到了这样的层次，就变成了一个生理的过程，也就是说声波传播到了耳蜗这个地方，就到了一个生理声学研究的范畴。然后再进到里面，声信号变成了电信号，进入人的大脑，产生的响应就变成了心理的东西，所以它后面是心理声学研究的范畴，所以这么一个听觉的机制是从物理的到生理的，然后到心理的，是交叉性非常强的一个学科，也是很容易出成果的一个地方。当然我们现在研究声波的接收，更多的时候不是用耳朵，而是用话筒，专业上称为传声器，研究怎么样把声音信号变成电信号，要研究声和电之间是怎么样转变的，什么样的材料会产生这种变化，什么样的结构能够有效地实现这种变化。

三、声音的物理特性

1、声音的构成及关系

客观：振幅（大、小）；频率（快、慢）；谐波

振幅：声波的振动幅度，它的大小影响人耳对声音强弱的感觉强度（即响度）单位：分贝（dB）

频率：声波每秒钟振动的次数。它直接影响人耳对声音高低（音调）的感觉。单位：赫兹（Hz）

谐波：指声波的波形。包括瞬间状态。它直接影响人们对声音音质差异（音色）的感觉。（如乐器不同，相同的“i”听觉则不相同。）

主观：响度；音调（音高）；音色（音品）

声音三要素

2、声音的指向性与覆盖面积：

高频 声音指向性很强 覆盖角度窄小、射程远、穿透力强

中频 有一定指向性 覆盖面积比较容易控制

低频 指向性不明显向四面辐射、声功能损失大、传播距离近

3、声音的共振与共鸣

声音的振动和传播过程中，有一种很重要的物理现象——共振，也叫共鸣。

定义：当策动力变化的频率跟物体的固有频率相一致时，振动的振幅就会特殊地增大到最高峰值，这种现象叫共振。

例一：部队行军步伐的振动频率与桥梁的固有振动频率相一致时，会因共振的产生而坍桥。

例二：暖水瓶接水，听到的声音会由低频逐渐变成高频率声音。水流击水产生的声音频宽很宽，即有低频、又有高频。刚接时瓶的空间大固有振动频率低，水流击水的低频音产生共振，低频加强，快满时，水瓶的空间变小，共振腔变小，共振频率提高，与水流击水产生的高频音产生共振，高频加强，即听到高频音。

例三：小提琴共鸣箱较小 共振频率高 为256-1100Hz

大提琴共鸣箱增大 共鸣频率低 为110-400Hz

贝斯提琴共鸣箱最大 共振频率更低 为80-350Hz

例四：萨克斯箱

左右手指全按下共振腔容积最大 共振频率低 发低音

右手指抬起 共振腔容积缩小 共振频率提高 发中音

双手全抬起 共振腔体最小 共振频率最高 发高音

5

4、声音的掩蔽现象与解决

当不同频率的声音在同一声场中传递，各频率之间会发生掩蔽现象。

现象一：声音能量大的掩盖声音能量小的。

如铜管乐器掩盖木管乐器、木管乐器掩盖弦乐器。

解决：⑴从乐队编制解决。要求有合理的声部和乐器分配，调整好各声部之间、各种乐器之间声功能的平衡。

⑵从音乐结构上解决。要有合理的和声、配器，使各声部间平衡。

⑶从声场音响上解决。

a、对不同音源选择最适合表现这种乐器音色特性的话筒。

b、选择拾取音源的最佳距离、高度、角度。

c、在调音台上进行音频信号电平的处理。

现象二：中频声音掩盖高频和低频声音。

原因：人耳对700——3000Hz的中频率声音听觉最为灵敏，在声音强度相同的情况下，优于并强于对高、低声音的听觉。

解决：减少中频输入，适当增加高低频尤其是低频音输出。

现象三：高频率声音掩盖低频声音。

如：板胡、京胡、笛子等高音乐器掩盖贝斯提琴、大提琴、巴松等低音乐器。

原因：高频音声波较短、指向性强、穿透力强、射程远，对人耳刺激明显，低频音有绕射特性，散射强，功能损失大。

解决：适当降低高频音，增加低频音。

对不同的乐器拾音时选择合适话筒，掌握好距离角度。

四、人耳的听觉特征

振动产生声波，声波传播至耳，耳膜受到声压变化刺激听觉神经听觉神经传入大脑中枢，形成声音的存在感觉。 声音的产生是物理现象，人对声音的感觉是生理 心理活动。

1、构成人耳听觉特性的要素

构成声音产生与存在的客观因素是：振幅、频率、谐波

构成人耳对声音的听觉特性的要素是：响度、音调、音色

(1)．响度

响度，又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。声音的响度一般用声压(达因／平方厘米)或声强(瓦特／平方厘米)来计量，声压的单位为帕(P a)，它与基准声压比值的对数值称为声压级，单位是分贝(dB)。对于响度的心理感受，一般用单位口宋(S one)来度量，并定义lkHz、40dB的纯音的响度为1宋。响度的相对量称为响度级，它表示的是某响度与基准响度比值的对数值，单位为口方(p hon)，即当人耳感到某声音与1kHz单一频率的纯音同样响时，该声音声压级的分贝数即为其响度级。可见，无论在客观和主观上，这两个单位的概念是完全不同的，除1kHz纯音外，声压级的值一般不等于响度级的值，使用中要注意。

响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB—140dB(也有人认为是-5dB—130dB)。固然，超出人耳的可听频率范围(即频域)的声音，即使响度再大，人耳也听不出来(即响度为零)。但在人耳的可听频域内，若声音弱到或强到一定程度，人耳同样是听不到的。当声音减弱到人耳刚刚可以听见时，此时的声音强度称为“听阈”。一般以1kHz纯音为准进行测量，人耳刚能听到的声压为0dB(通常大于0．3dB即有感受)、声强为10-16W/c m2 时

6

的响度级定为0口方。而当声音增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为“痛阈”。仍以1kHz纯音为准来进行测量，使人耳感到疼痛时的声压级约达到140dB左右。

实验表明，闻阈和痛阈是随声压、频率变化的。闻阈和痛阈随频率变化的等响度曲线(弗莱彻—芒森曲线)之间的区域就是人耳的听觉范围。通常认为，对于1kHz纯音，0dB—20dB为宁静声，30dB--40dB为微弱声，50dB—70dB 为正常声，80dB—100dB为响音声，110dB—130dB为极响声。而对于1kHz以外的可听声，在同一级等响度曲线上有无数个等效的声压—频率值，例如，200Hz的30dB的声音和1kHz的10dB的声音在人耳听起来具有相同的响度，这就是所谓的“等响”。小于0dB闻阈和大于140dB痛阈时为不可听声，即使是人耳最敏感频率范围的声音，人耳也觉察不到。人耳对不同频率的声音闻阈和痛阈不一样，灵敏度也不一样。人耳的痛阈受频率的影响不大，而闻阈随频率变化相当剧烈。人耳对3kHz—5kHz声音最敏感，幅度很小的声音信号都能被人耳听到，而在低频区(如小于800Hz)和高频区(如大于5kHz)人耳对声音的灵敏度要低得多。响度级较小时，高、低频声音灵敏度降低较明显，而低频段比高频段灵敏度降低更加剧烈，一般应特别重视加强低频音量。通常200Hz--3kHz语音声压级以60dB—70dB为宜，频率范围较宽的音乐声压以80dB—90dB最佳。

与振幅的关系：a、声压级越高，人耳感觉声音响度越大 b、人耳的声压范围是：0——120dB

与频率的关系：a、4—5K Hz附近的声音最响，因外耳道与其产生共鸣b、低声压时，低频区的音响度大于高频音的响度c、常见声源的声压级dB

窃窃私语：20——35

女 高 音：35——105男高音：40——95

小 提琴：40——100 交响乐：80dB

小 鼓：55——105打雷：120dB

教师讲话：50——60飞机起飞（3m处）：140dB

(2)．音高

音高也称音调，表示人耳对声音调子高低的主观感受。客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹(Hz)表示。主观感觉的音高单位是“美”，通常定义响度为40方的1kHz纯音的音高为1000美。赫兹与“美”同样是表示音高的两个不同概念而又有联系的单位。

人耳对响度的感觉有一个从闻阈到痛阈的范围。人耳对频率的感觉同样有一个从最低可听频率20Hz到最高可听频率别20kHz的范围。响度的测量是以1kHz纯音为基准，同样，音高的测量是以40dB声强的纯音为基准。

实验证明，音高与频率之间的变化并非线性关系，除了频率之外，音高还与声音的响度及波形有关。音高的变化与两个频率相对变化的对数成正比。不管原来频率多少，只要两个40dB的纯音频率都增加1个倍频程(即1倍)，人耳感受到的音高变化则相同。在音乐声学中，音高的连续变化称为滑音，1个倍频程相当于乐音提高了一个八度音阶。根据人耳对音高的实际感受，人的语音频率范围可放宽到80Hz--12kHz，乐音较宽，效果音则更宽。 音调（音高）：是人耳对声音高低的感觉，其变化主要取决于声音频率的对数值，其次是取决于声音的振幅。 频率越高，人耳感觉的音调随之升高，频率增加一倍，声学中称之增加一个“倍频程”，音乐上叫“提高一个八度”。音调单位：美（m ei）音调与频率的关系：

a、人耳听觉的频率范围：20Hz——20K Hz，其中700——3000Hz为最灵敏区

b、语言的频率范围范围是100——10K Hz

音乐的频率范围是50——15K Hz

音调与声压（振幅）的关系：

a、1K——2K Hz 以上的高音区，声压增大感觉音调提升

b、500Hz以下的声音，声压增大，感觉声音低沉，音调下降

(3)．音色

音色又称音品，指声音的音调和响度以外的音质差异。它与声音的频谱结构、包络和波形有关。发音体的泛音结构不同频率特性曲线、种类不同造成音色结构的不同。声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。每个基音都

7

有固有的频率和不同响度的泛音，借此可以区别其它具有相同响度和音调的声音。声音波形各次谐波的比例和随时间的衰减大小决定了各种声源的音色特征，其包络是每个周期波峰间的连线，包络的陡缓影响声音强度的瞬态特性。声音的音色色彩纷呈，变化万千，高保真(Hi—Fi)音响的目标就是要尽可能准确地传输、还原重建原始声场的一切特征，使人们其实地感受到诸如声源定位感、空间包围感、层次厚度感等各种临场听感的立体环绕声效果。

影响音色的因素：

a、结构不同：弦、簧片、金属

b、质料、质地不同、金属、人体、电子

c、激发位置不同：气息、声带、口形、吹奏或拉奏方法

d、力度大小不同，p、f（弱、强）影响音色

e、共鸣体（箱、腔）大小不同：影响单元色的泛音结构

f、振动体的弹性：影响音色的始振特性和衰减特性

声带：儿童——富有弹性、音色清脆明亮

成人——声带松弛、音色苍老

哨片：软——始振性慢、衰减也慢

硬——始振性快、力度大、衰减也快

2、颅骨效应

声音从音源传入大脑有两个途径，一是音源→空间→人耳→大脑，另一途径是音源→人体颅骨→大脑（小实验：双手堵耳，发声，仍可听见）通过颅骨传导声音的现象叫颅骨效应。

现象一：听自己的声音，有两个途径，频带宽，音色好。

现象二：手表、钟摆声音仍可通过牙齿和颅骨传递到人的大脑神经。

应用：当练唱一首新歌时，对音高音调旋律无法准确掌握时，大声唱干扰环境、小声唱自我感觉不明显，可用双手掩耳来练唱，可清晰感觉自己声带发声的旋律，准确的音高和声音结构的细节部分。根据自我感觉来调解发声状态，即通过甲状软骨、早环软骨和披裂肌肉的配合来调解声带的收放，从而调整音高和音色。

3、鸡尾酒会效应：

在嘈杂的声场中，人可以把自己的听力集中在某一个人的谈话中，而把其他人的声音都推到背景杂声中，此现象叫“鸡尾酒会效应”。

原理：人耳的选择功能

人耳通过两耳拾取音源的距离差、时间差、频率差就可以辨别出不同方位的声音，以此调解听觉神经来选择不同方位的声源。

应用：使用强指向性话筒在现场来同步录音。

4、回音壁效应：

在某一声场中，视觉看不到声源而听觉却能听到声音，这种现象就是声波传播的特殊反射作用的结果，被称谓“回音壁效应”。

应用：舞台上方、侧方、后方的声音反射板即是利用这一原理把演员的声音集中向直达声弱的区域进行反射。

5、哈斯效应：

一个声场中的二个同频声源，在传入人耳的时间差在50ms以内时，人耳无法明显辨别出它们的方位。那个声源的声音先入，那么人就感觉到声音即由此方位传来。这种先入为主的听觉特性叫哈斯效应。

现象一：两侧声源A、B与人耳距离相同时，人们感觉声音由前方来，俗称“假立体声”。

现象二：当距离A声源略近时，实际应是A音大，B音小的两个声源，但人们往往只感觉到所有声音均由A输出，这种错觉现象即是“哈斯效应”。

现象三：将近点A的声音加以延时，使它迟于B声源进入人耳，人们即感觉到所有声音均由B声源付出。

应用：在剧场中为了弥补哈斯效应所产生的听觉、视觉不统一的现象，对顶部和侧面扬声器均作延时处理，使

8

它们传出的声音与前方主扬声器传出的声音同步到达人耳，使后排观众的视觉、听觉协调统一。

6、关于立体声：

⑴、构成立体声的主要因素；第一要有立体声音源；第二要有立体声声场；第三是人耳的双耳效应

⑵、造成立体声的原因；

a、路程差：由于声音传递到双耳的路程不同造成

b、时间差：由于路差使声音到达双耳的时间不同造成

c、强弱差：由于路程差使先到声音感觉强，后到的感觉弱

d、频率差：由于声音的传播特性决定，近耳听到的高频音多、低频音少，远耳听到的高频音少、低频音多。

⑶、定义：立体声是指人感到声源分布在空间的声音，使听到的声音具有空间感、远近感及监场感

⑷、环绕立体声：

在立体声声场中，除听者有身临其境的感觉之外，还必须具有使听音者被声音包围的效果，使听者产生围绕感

和声音似乎离开听者扩散并再次反射回来的扩展感。

、四声道环绕立体声（见图）

产生环绕立体声需有不同方向的四个以上声源，相对听音者来讲分为前左、前右（主声道）；后左、后右（环

绕声道）。

将四只强指向性传声器摆放在演出中心部或靠近舞台，拾取舞台上声源发出的四个不同方向的声音，用声道重放系统把四个扬声器放在房间四角，产生环绕声场。

常见有超级VCD、CVD均属此类。背板标有CH1——CH4四路声音输出。

五、声学技术的应用

声 纳：水下军事：蝙蝠 （利用声音的波长与反射）

在水下，因为声的传播非常有效，因而有很多用处，但是首先也要研究声波在水下是怎么传播的。美国从95年开始筹备，97年正式启动了一个国际性的声学大洋测温计划，在夏威夷附近的一个小岛边的水下，放置了一个大功率的声源，发出70赫兹左右的低频声波，然后在大洋的其它地方（包括在我们国家台湾以东）布置一些接收点，通过测量从声波发射到接收两点之间的距离和时间，就知道了声波的传播速度，而这个速度是和温度是有关系的，这种函数关系也是通过研究已经认识了的，所以就可以从发射点到接收点之间的大洋平均水温是多少。

声波可以透过所有物体：不论透明或不透明的，导电或非导电的。因此，从大气、地球内部、海洋等宏大物体直到人体组织、晶体点阵等微小部分都是声学的实验室。近年来在地震观测中，测定了固体地球的简正振动，找出了地球内部运动的准确模型，月球上放置的地声接收器对月球内部监测的结果，也同样令人满意。进一步监测地球内部的运动，最终必将实现对地震的准确预报从而避免大量伤亡和经济损失。

超 声 波： （利用大于20KHz声波刺激）

超声的应用包括许多方面，上面已经提到超声检测，医学上超声还可以用来治疗，工业上还可以用声波来清除锅炉里面的积灰，可以清洗一些机械的试件，我们公司专业话筒车间的电容极头铜背极板，有108个孔，54个通孔，54个盲孔，直径只有一个多毫米，如果不用超声波，是很难清洗干净的。超声无损检测和声能技术是目前应用很广的技术，超声无损检测利用了数字信号处理和超声成像这样一些技术，用在一些与安全直接相关的产品上，意义非常重大。比如说锅炉，有没有裂纹，用一般的技术就很难检查，只有用超声的办法，可以看到有没有裂纹，裂纹多大，多深，有没有危险。当然在医疗上的应用就比较多了，相对于X光，超声要安全的多，所以检查妈妈肚子里的胎儿也只能用超声。超声治疗方面多数人知道比较多的可能是超声碎石，用超声的办法把肾或者膀胱中的结石打碎了，就能够自动排出来，就不用做手术了，开刀把它拿出来就相对危险的多。现在还发展了一种技术叫超声治癌，就是把超声的能量聚焦在癌病变的地方，加热到80度左右，就可以把癌细胞组织烧死，同时又不会给周围的健康组织造成很大的伤害。

声 控：电子工业

声控灯，声控门，声纹与声控锁，声控防盗器。

语音识别：刑侦、保密 （利用音色的频谱曲线）

语音锁，语音输入，语音识别与分析。

9

音乐医疗：调节心神、缓解情绪 （利用音乐声学的暗示作用）

次 低 声：军事（利用低于20Hz的次低声波振动频率干扰人体固定的共振频率（3-17Hz）

噪声危害及防治

噪声：大于90分贝，且人们主观不需要的声音

听觉阈限：20-20KHz （超过55分贝即产生不舒服感）

不需要：学习与环境噪声

午休与唱歌

危害

人体：影响寿命、损坏内脏、扰乱新陈代谢

神经：头晕、失眠、衰弱、易产生疲劳、降低工作效率

噪声控制技术

在当今社会，噪声几乎与每个人的生产、生活密切相关，比如说环境噪声的控制，北京新建了四环路以后，道路两边的老百姓就对交通噪声的污染非常敏感，有很多的投诉，于是政府的有关部门就非常重视，积极组织专家论证，看有什么办法可以降低噪声的污染，声屏障就是一种比较有效的噪声控制措施，上海的市内高架路建造了声屏障以后产生了很好的降噪效果，现在四环路的周围比较敏感的地区如医院附近已经架起了声屏障。我这次路过广州市时就看到在有的市内高架路两侧安装了声屏障。同时在水下既然有了声呐，跟声呐相对的就是怎么样来降低目标的声学强度，比如说潜艇这样的一个目标，怎么样使得声音小一些，减小被声呐发现的机会，所以就有声隐身的技术，它实际上也是一种噪声控制技术，就是怎么样降低舰艇、直升机、巡航弹等等目标的噪声辐射。有源噪声与振动控制技术是当前的噪声控制技术中最先进的研究方向，它的物理意义是用声波来抵消声波。有一个需要控制的噪声，不需要再用任何材料和结构，只要能够另外发出一个声波来，使它与噪声的振幅大小一样，而相位相反（振动的方向相反），这两个声波叠加的结果，一个朝前推，一个朝后拉，噪声就被抵消掉了。这样的技术当然可以用在很多地方，比如可以设计一种智能窗户，窗户是要透气的，夏天很热，没空调只好开着窗户睡觉，但是开着窗户，风进来了噪声也进来了，如果能够使用有源噪声控制的办法，再产生一个声波，把噪声抵消掉，风是平均流不受影响，就可以很好地休息了。当然现在这样的概念，还只能用在比较小的空间，例如耳机里面，我们用随身听听音乐的时候，噪声和音乐都一起进到了耳朵里面，听起来很不清楚，这时在耳机中再发出一个噪声信号，把噪声抵消掉，把音乐保留下来，有选择地把音乐保留下来，听到的音乐就很干净了。

最后，声学还是一门艺术

之所以说声学还是一门艺术，原因在于声音与人类的主观反应之间的关系，可以用来满足人类的精神生活的需要，具体体现就是音乐，音乐当然是一门很重要的艺术。声学的魅力，也在于艺术，有很多人来学声学，一开始以为是不是跟声乐有关系，跑这儿来学声乐。音阶1234567的语图画出来，就像一幅节奏感很强的图画，是一个很美的东西。都是声音，为什么音乐就好听？为什么有的声音好听，有的就不好听，这跟人的主观反映很有关系。对音乐进行仔细的物理分析，可以发现乐音的频率成分很和谐，因此人对和谐的声音就觉得比较美，就是音乐；然后分析语音信号，发现它里面有很多东西，既有和谐的，又有不和谐的、无规的噪声，但是我们能够听得懂它里面包含的信息，所以我们觉得能够接受，觉得里面很有意思；所谓噪声就是不需要的声音了，这是主观的定义。邻居家的孩子在练小提琴，父母听了可高兴了，觉得拉得真好听，但邻居可能很烦，我在这儿想看点书，那边一天到晚叽叽嘎嘎，真是难听死了，所以这种主观的反映差别很大。客观地讲，音乐、语音和噪声还是有一些差别的，大部分的噪声是完全没有规律的声音。从这个意义上看，噪声最复杂，人理解不了，所以就觉得很烦；音乐好像相对比较简单，所以人就喜欢听。

总的来说，声学包括了三个方面的内容，有科学的，有技术的，还有艺术的，因此声学是这样一个学科，交叉渗透性非常强，有基础声学的方面，再加上一个非常现代的技术，数字信号处理技术，就能够跟各种各样的学科实现交叉，交叉的结果就实现了声学的各种各样的分支学科，实现了一个非常宽的学科面。

10