003声级及听觉特性
声学基础知识(1)
音高\频率\唱名\键盘位置关系 提琴C\523.2Hz \1 提琴C6\1KHz \і
钢琴：一百三十赫兹（130Hz） 钢琴：一千赫兹（1KHz）
提琴：一百三十赫兹（130Hz） 提琴：一千赫兹（1KHz）
音高\频率\唱名\键盘位置关系
二、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， 主要取决于声波的振幅大小。
第六节 声波的传播
一、波阵面和声线：声波由声音发出后，在介质中向各个方向传播，在某一时刻由声
波到达的各点所连成的面称为波阵面。波阵面为平面的称平面波（如管子中的声波）， 波阵面为球面的波称为球面波（点声源）；波的传播方向称为声线或波射线。
横波：质点的振动方向和波的传播方向相互垂直,这种波称为横波。
响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB-140dB。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)。 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”；当声音 增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为“痛阈”，听阈和痛阈随声压和频 率的变化而变化。听阈和痛阈随频率变化的曲线叫“等响度曲线”。
三、音色
音色是人们区别具有同样响度和音调的两个声音的主观感觉，音色也称音 品，由声音波形的谐波频谱和包络决定。
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。
(完整版)第一章：声波的传播特性及人耳的听觉
第一章声波的传播特性及听觉特性第一节声波的传播特性声波是由物体振动产生的，当振动在一定的频率和强度范围内时，人耳就可听到。
振动发声的物体称为声源，有声波传播的空间称为声场。
当声源在空气中发声时，媒质质点在平衡位置附近作往复振动，媒质中振动着的质点的位移会作用到相邻质点，使后者也产生振动，于是，振动形成波动，在空间传播开来，在声源周围形成疏密交替的空气压力波，称为声波。
声波在150C时，大约以340m/s的速度由声源向外传播。
气体中的声波属于纵波，即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上。
在传播过程中不受反射而向前行进的声波，称为行波。
在某一时刻，空间行波相位相同各点的轨迹曲面称为波阵面，也称为波前。
波阵面为平面的声波称为平面声波。
尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球面扩展的，波阵面为球面，称为球面声波。
这种声源称为点声源。
现实中的声源，即使具有一定尺寸，但在距离与声源尺寸相比充分远时，也可将它看作点声源，在这样的距离处得到球面声波。
当距离远到一定程度时，波阵面即与平面声波的波阵面相接近，可看作平面声波。
声能从声源沿波阵面的法线方向传播的路径称为声线，在各向同性的媒质中，声线是代表声波的传播方向。
例如球面声波的声线就是球面的半径线。
声波的瞬时状态可用声压、媒质质点振速和媒质密度中的任何一个来描述。
（1）声压：有声波存在时，在静态大气压强上叠加的变化分量称为声压。
（2）质点振速：有声波存在时，媒质质点的振动速度。
单位为m/s。
（3）媒质密度：单位体积内的媒质质量称为媒质密度。
有声波存在时，媒质密度要产生稠密稀疏的变化。
单位为kg/m3。
一、声波的反射声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波波长的坚硬界面，会产生反射。
声波从界面反射的角度与声波入射到界面的角度相等，即反射角等于入射角。
反射的声波如同从界面后面与声源相对应位置处发射出来的一样，即如同在该位置处有一声源，称为虚声源，也称为镜像声源，它与界面的距离等于声源与界面的距离，如图1-1所示。
心理学声音的特性包括
心理学声音的特性包括声音的心理特性声波是听觉的适宜刺激。
声波的物理特性包括频率、振幅和波形。
频率指发声物体每秒振动的次数。
振幅是振动物体偏离起始位置的大小。
正弦波得到的声音就是纯音。
复合音是由不同频率和振幅的正弦波叠加而成的。
声波的物理特性决定了听觉的基本特性：音响、音调和音色。
(1)音响①音响的强度和单位响度：又称声强、音量或者声压级，它主要反映声音能量的强弱程度，是由声波振幅的大小决定的，声波振幅越大，响度越大。
其单位是宋(sone)，一个宋为 40 分贝时所听到的 1000Hz 的音调的响度。
声音持续时间越短，阈限值就越高;声音持续时间越长，阈限值就越低。
②等响曲线等响曲线：响度水平相同的各频率的纯音的声压级(单位phon，方)连成的曲线。
在该曲线上，横坐标为各纯音的频率，纵坐标为达到各响度水平所需的声压级(分贝)，每一条曲线代表一个响度水平。
下方虚线是听觉的绝对阈限，最上方的响度曲线为情感阈限，即再加强声压会造成疼痛以致被试无法接受。
等响曲线反映出响度听觉有如下一些特点：a. 响度级受声强的制约，声强越高，响度级也相应增加;b. 频率也是影响响度的一个因素;c. 不同频率的声音有不同的响度增长率。
(2)音调音调又叫音高，音高主要受声音的频率、声音的声压级、声音的持续作用时间、年龄发展因素以及个体差异等因素的影响。
音高单位为Mel。
响度级为40Phon、频率为1000Hz的纯音音高被定为1000Mel。
可以采用二分或多分法在可听的范围内把音高从低到高地分成等级制作音高量表。
音高随着声音频率有变化，两者之间的关系可以用音高量表表示。
根据个体对不同频率声音的主观强度感受的测量，可以绘制出听觉的等高曲线。
等高曲线是反应声音频率和强度的关系的曲线。
(3)音色：由声音波形的谐波频谱决定。
听觉的基本特征
听觉的基本特征
1、听觉范围。
人耳能够听到声波范围有两个方面，一个是声波的频率范围：人耳可听到范围，一个是声压的幅值范围：被听觉阈值（最低声压级，和声音的频率有关）和痛域（使人耳感到疼痛的声压级，与声音的频率关系不大）决定。
2、听觉的等响特性。
反映人们对不同频率的纯音乐的响度感觉的基本特性。
说明认为判断声音和相对与声压级和频率都有关系。
以低于或者高于原始声音的声压级重放音源，则会改变原始声音中的各频成分的相对响度关系，产生音色变化。
3、听觉阈值。
如果把可闻频段的信号保留，把不敏感频段的信号只反映强信号，对难以察觉的弱信号忽略不计，这样可以使信息量大大减少，从而压缩声音信息量。
4、听觉得掩蔽特性。
听觉得掩蔽性是指一个比较强的声音往往会掩盖较弱的声音，从而使其不能被听到，分为频域掩蔽和时域掩蔽
频域掩蔽：稳定条件下，一个包含多种频率成分的声音同时发声时，幅值较大的频率信号会掩蔽相邻幅值较小的频率信号，使之完全听不见，而且低于该频率的掩蔽交窄，高于该频率的掩蔽范围较宽，可达该频率的数倍。
时域掩蔽：人耳除了对同时发出的声音在相邻频率信号之间有掩蔽现象意外，在时间上相邻的声音之间也存在掩蔽现象。
003声级及听觉特性
为什么要引入声压级（声级）
1、尺度范围过大 2、用对数标度来表达声音还有另一优点：人类的 听觉反应是基于声音的相对变化而非绝对的变化。 对数标度正好能模仿人类耳朵对声音的反应
声级
物理量 符号 单位
级
声压 p
Pa
声强
I
w/m2
声功率 w
w
基准 2*10-5Pa
10-12W/m2
10-12W
例题 计算在公共汽车内和飞机强力发动机旁的声压级。
已知：公共汽车内的声压为0.2Pa，飞机强力发动机旁的 声压为200Pa
解：Lp=20×lg p/p0 Lp1 = 20×lg （ 0.2/2×10-5 ） = 80(dB) （公共汽车内的声压级）
Lp2 = 20×lg （ 200/2×10-5 ） = 140(dB) （飞机强力发动机旁的声压级）
作业
1、两台机器分别开动时，在某点产生声压级分别为90dB和93dB,同 时开动时声压级多大？ 2、要求某处声压级为100dB，已知一组扬声器在该处声压级96dB， 再设一组扬声器在该处应该有多大声压级？ 3、房间内某点在被测音箱不发音时，测得本底噪声为93dB，被测 音箱发音时，测得该点声压级为100dB，求被测音箱在该点产生的 声压级。
例题：某车间有5台机器，在某位置测得这5台机器的声压级分别为
95、92、90、86、80dB，试求这5台机器在这一位置的总声压级是 多少？
解：
LΔ1－L
L2 = 95 － =1.8 dB
92
3;1.8 = 96.8 dB L1－ L2 = 96.8 － 90 =6.8dB ≈7dB
常见估算
声压比：1 、2、4、8、10 分贝值：0、6、12、18、20
噪声基础知识
噪声分贝（dB）1、声音1.1 分贝的感觉当物体振动时，在它周围就会产生声波，声波不断向外传播，被人们听到成为声音。
人耳的听觉下限是0dB，低于15dB的环境是极为安静的环境，安静得会使人不知所措。
乡村的夜晚大多是25-30dB，除了细心才能够体会到的流水、风、小动物等自然声音以外，其他感觉一片宁静，这也是生活在喧嚣之中的城市人所追求的净土。
城市的夜晚会因区域不同而有所不同。
较为安静区域的室内一般在30-35dB，住在繁华的闹市区或是交通干线附近的居民，将不得不忍受室内40-50dB（甚至更高）的噪声。
人们正常讲话的声音大约是60-70dB，大声呼喊的瞬间可达100dB。
在机器轰鸣的厂房中，持续的噪声可达80-110dB，这种高强度的噪声会损害人耳的听觉，并对神经系统产生不良影响，长期还会导致神经衰弱、消化不良、听力下降、心血管等疾病。
人耳的噪声听觉上限是120dB，超过120dB的声音会耳痛、难以忍受，140dB的声音会使人失去听觉。
高分贝喇叭、重型机械、喷气飞机引擎等都能够产生超过120dB的声音。
1.2 人耳的感觉人耳听觉非常敏感，正常人能够察觉1dB的声音变化，3dB的差异将感到明显不同。
人耳存在掩蔽效应，当一个声音高于另一个声音10dB时，较小的声音因掩蔽而难于被听到和理解，由于掩蔽效应，在90-100dB的环境中，即使近距离讲话也会听不清。
人耳有感知声音频率的能力，频率高的声音人们会有“高音”的感觉，频率低的声音人们会有“低音”的感觉，人耳正常的听觉频率范围是20-20KHz。
人耳耳道类似一个2-3cm的小管，由于频率共振的原因，在2000-3000Hz的范围内声音被增强，这一频率在语言中的辅音中占主导地位，有利于听清语言和交流，但人耳最先老化的频率也在这个范围内。
一般认为，500Hz以下为低频，500-2000Hz为中频，2000Hz以上为高频。
语言的频率范围主要集中在中频。
人耳听觉敏感性由于频率的不同有所不同，频率越低或越高时敏感度变差，也就是说，同样大小的声音，中频听起来要比低频和高频的声音响。
人耳的听觉特征
人耳得听觉特征1、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,形成声音得存在感觉。
声音得传播过程(自然状态):当一个物体受外力作用时,产生一个往复得弹性振动,这样就产生了声波,经过介质(物体、空间或水)向四面八方传播。
当人耳接受声波得振动,通过听觉神经传达给大脑。
2、声音得产生就是物理现象,人对声音得感觉就是生理、心理活动。
①构成人耳听觉特性得要素构成声音产生与存在得客观因素就是:振幅、频率、谐波构成人耳对声音得听觉特性得要素就是:响度、音调、音色⑴响度:就是人耳对声音强弱得感觉程度。
它首先决定于声音得振幅,其次就是频率。
声学中把描述响度、振幅、频率之间得关系曲线叫等响度曲线。
单位:分贝(dB)与振幅得关系:a、声压级越高,人耳感觉声音响度越大b、人耳得声压范围就是:0——120 dB 与频率得关系:a、4—5KHz附近得声音最响,因外耳道与其产生共鸣b、低声压时,低频区得音响度大于高频音得响度c、常见声源得声压级dBλ窃窃私语:20——35女高音:35——105 男λ高音:40——95λ小提琴:40——100 交响乐:80 dB小鼓:55——105 打雷:120λ dBλ教师讲话:50——60 飞机起飞(3m处):140 dB⑵音调(音高):就是人耳对声音高低得感觉,其变化主要取决于声音频率得对数值,其次就是取决于声音得振幅。
频率越高,人耳感觉得音调随之升高,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(mei)音调与频率得关系:a、人耳听觉得频率范围:20Hz——20KHz,其中700——3000Hz为最灵敏区b、语言得频率范围范围就是100——10 KHz音乐得频率范围就是50——15 KHz音调与声压(振幅)得关系:a、1K——2 KHz 以上得高音区,声压增大感觉音调提升b、500 Hz以下得声音,声压增大,感觉声音低沉,音调下降⑶音色(音品):指声音得音调与响度以外得音质差异。
第三章人耳的听觉特性
LI 0 t 0
此时声象由 ΔLf与 Δt 共同决 定，可互相补偿也可互相校正。 （当Δ Lf<15dBΔ t<13ms时)1ms的 时间差相当于5dB的声级差。
t 0 LI 0
当两个扬声器信号相位相反，又有声级差可 形成界外立体声。
sin
LI L
( LIR
)
产
生
差
拍
。
（听觉：声音发颤）
增四度
3全
掩蔽效应
什么是掩蔽效应是 掩蔽效应的类型 掩蔽效应的一般特点 例 题
什么是掩蔽效应
当两个或两个以上的声音号同时存在 时，其中一个声音在听觉是会掩盖另一个 声音。（影响人对另一个声音的听觉能力）
掩蔽效应的类型
纯音的掩蔽效应 复音的掩蔽效应 噪声掩蔽 非同时掩蔽 中枢掩蔽
400
10 lg
p2 rms
p02
10 lg
400
0c
10 lg I 20 lg prms
I0
p0
4）响度级
测试条件 测试方法 响度级
测试条件
声源在被测试者的上方 声源为自由平面波 测量声压级时测试者不在场 用双耳听声音 年龄在18—25岁之间
测试方法
响度级
将某一频率的声音与1KZ的声音进行 比较，当感觉两者的响度一致时，1KZ声 音的声压级就是该声音的响度。一般用S表 示（单位为宋）。或用响度级P表示（单位 为方）二者的关系如下：
纯1度
11
纯八度
f2 f1 1:1
f2
f1
2 1
5全2半
15
纯五度
f2
f1
3 2
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声压级的叠加：公式计算
例1：在某点测得几个噪声源单独存在时的声压级分别为84dB、
87 dB、90 dB、95 dB、96 dB、91 dB、85 dB、80 dB，求这几 个噪声源同时存在时该点的总声压级是多少？ 当n个声源发生叠加时：
L pT
n 0.1L pi 10 lg 10 i 1
由等响度曲线看出
由等响曲线可以得出各个频率的声音在不同的声压级时，人 们主观感觉出的响度级是多少。 声压级小和频率低的声音，其声压级与响度级之值相差也越 大。例如50dB声压级、60Hz的响度级为25Phon，500Hz时则为 54phon，1000Hz时为50Phon。 等响曲线反映了人耳对高频声敏感的特性，特别对于3000 一4000Hz的声音特别灵敏。 在高声压级时，曲线较为平坦。
作业 1、两台机器分别开动时，在某点产生声压级分别为90dB和93dB,同 时开动时声压级多大？
Байду номын сангаас
2、要求某处声压级为100dB，已知一组扬声器在该处声压级96dB，
再设一组扬声器在该处应该有多大声压级？ 3、房间内某点在被测音箱不发音时，测得本底噪声为93dB，被测 音箱发音时，测得该点声压级为100dB，求被测音箱在该点产生的 声压级。
正常人耳能 听到最弱声 普通说话声 （1m远处） 公共汽车内
2X10-5 2X10-2 0.2
织布车间 柴油发动机、 球磨机 喷气飞机起飞
2 20 200
语言与部分乐器输出声功率w
声源 男生会话 女生会话 单簧管 低音提琴 钢琴 管乐器 37in×36in的低音鼓 75件乐器的交响乐 2×10-3 4×10-3 5×10-2 16×10-2 27×10-2 31×10-2 25.0 70～100 峰值功率
声压级、声强级、声功率级（声级）
选定基准量（或参考量），对被量度量和基准 量之比取对数，该对数值称为被量度量的“级”。 单位是贝尔。
因为贝尔的单位太粗略而不能充分用来描述我 们对声音的感觉，因此前面加了“分”字，代表十 分之一。一贝尔等于十分贝。分贝（decibel）dB 分贝是以美国发明家亚历山大· 格雷厄姆· 贝尔命名 的，他因发明电话而闻名于世。
响度级：当某一频率的纯音与1000Hz的纯音听起来同 样响时，这时1000Hz纯音的声压级就定义为该声音的 响度级。响度级的符号为LN，单位为方(phon）。
响度：是用来描述声音大小的主观感觉量。 响度是与主观感觉成正比的参量，符号为N，单位 是“宋” (sone)。 正常听者判断一个声音比响度级为40 phon参考声 强响的倍数，规定响度级为40 phon时响度为1sone。比 1sone响几倍就是几sone
声压级的相减
ΔLp/dB
Lp－Lp1/dB
[例]为测定某车间中一台机器的噪声大小，从声级计上测 得声级为104 dB，当机器停止工作，测得背景噪声为 100dB，求该机器噪声的实际大小。
解：由题可知104dB是指机器噪声和背景噪声之和 （Lp），而背景噪声是100 dB （Lp1）。 Lp－Lp1=4 dB，从图中可查得相应ΔLp＝2.2 dB ，因此该机器的实际噪声噪级Lp2=Lp-ΔLp =101.8 dB。
声压级叠加公式：声源声压级相等时
例： 有7台机器工作时，每台在某测点处 的声压级都是92dB，求该点的总声压级。 解：根据式有 Lp＝(92+101g7)dB＝100.5dB
声压级的叠加：图表计算
声源叠加曲线
∆Lp /dB
Lp1－Lp2 /dB
[例] 两声源作用于某一点得声压级分别为Lp1= 96 dB，Lp2=93 dB， 由于Lp1－Lp2=3 dB，查曲线得ΔLp= 1.8 dB， 因此Lp总＝96 dB +1.8 dB＝97.8 dB
声压、声强、声功率
声压：相当于在大气压强上的叠加一个扰动引起的 压强变化。声压的测量比较容易实现。
声强： 声强是指单位时间内，声波通过垂直于声 波传播方向单位面积的声能量，单位为W/m2 声功率： 声功率是指单位时间内，声源辐射出来 的总声能。单位为W
日常生活中声音的声压数据Pa
声音种类 声压 声音种类 声压
等响度曲线应用
低高频声音都以100dB声压级录音，50dB放音 计权网络：是近似以人耳对纯音的响度即频率特性而设计
的。 国际电工委员会规定了四种计权网络： A、B、C、D
其中A计权网络相当于40phon等响曲线的倒置；B计权网络相当于70phon等响 曲线的倒置，C计权网络相当于100phon曲线的倒置。其中，B 、C计权已较少 被采用，D计权网络常用于航空噪声的测量。
为什么要引入声压级（声级）
1、尺度范围过大 2、用对数标度来表达声音还有另一优点：人类的 听觉反应是基于声音的相对变化而非绝对的变化。
对数标度正好能模仿人类耳朵对声音的反应
声级 物理量 声压 符号 p 单位 Pa 级 基准 2*10-5Pa
声强
I
w/m2
10-12W/m2
声功率
w
w
10-12W
例题 计算在公共汽车内和飞机强力发动机旁的声压级。 已知：公共汽车内的声压为0.2Pa，飞机强力发动机旁的 声压为200Pa
解：Lp=20×lg p/p0
Lp1 = 20×lg （ 0.2/2×10-5 ） = 80(dB)
（公共汽车内的声压级） Lp2 = 20×lg （ 200/2×10-5 ） = 140(dB) （飞机强力发动机旁的声压级）
常见估算
声压比：1 、2、4、8、10 分贝值：0、6、12、18、20
响度和响度级
人能听见频率范围为20 Hz——20kHz；在声压方 面．人耳的可听范围大致为2x10-5～20Pa，其上下限分别 称为可听阈和痛阈。试验和调查表明，人耳对强度相同而 频率不同的声音有不同的响度感觉，即对于相同声压级但 频率不同的声音，人耳听起来是不一样响的。 同样是60dB的两种声音，但一个频率为100Hz，而另一 个为1000Hz，人耳听起来1000Hz要比100Hz的声音响。要 使频率为100Hz的声音听起来和频率为1000Hz、60dB声音 同样响，则其声压级要达到67dB。
多声源叠加
例如，有8个声源作用于一点，声压级分别为 70、75、82、 90、93、95、100dB，它们合成的总声压级可以任意次序 查图，两两叠加而得。任选两种叠加次序如下：
例题：某车间有5台机器，在某位置测得这5台机器的声压级分别为 95、92、90、86、80dB，试求这5台机器在这一位置的总声压级是 多少？ 解： L1－ L2 = 95 － 92 =3 dB ΔL =1.8 dB LC1= 95+1.8 = 96.8 dB L1－ L2 = 96.8 － 90 =6.8dB ≈7dB ΔL = 0.8 dB Lc2 = 96.8 + 0.8 =97.6 dB L1－ L2 = 97.6 －86 =11.6 dB ≈ 12dB ΔL = 0.3 dB Lc3 = 97.6 + 0.3 =97.9 dB L1－ L2 = 97.9 －80 =17.9 dB ΔL ≈0 所以：Lc = 97.9 dB
L pt 10 lg 10 8.4 10 8.7 10 9.0 10 9.5 10 9.6 10 9.1 10 8.5 10 8.0 100 .2dB
例2：有一声源，在某一点测得各中心频率的声压级如下，求 该点的总声压级？
L pt 10 lg 10 7.0 10 7.7 10 8.0 10 8.8 10 9.0 10 9.5 10 8.4 97 dB