-
声学基础
声音（包括噪声）的形成，必须具备
三个要素，首先要有产生振动的物体，即声源，其次要有能够传播声波的
媒介，最后还要
有声的接受器，如人耳、传声器等。
一、
声音的基本性质
声音（
sound
）是由物体振动产
生的，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波，处于一定频率范围内（
20
～
20000Hz
）的声波作用于人耳就产生了声
音的感觉。
当人们用手拨动琴弦，弦即振动并同时发出声音
，这里琴弦的振动是产生声音的根源。通常我们把振动发声的
物体，称为声源（
sound source
）。声源不一定都是固体，液体和气体的振
动也会产生声音，如海上的浪涛声
和火车的汽笛声。
如果将一个发声物体置于一个真空的罩子内，声音则传不出来，因此声音的产生除了要有振动的
物体外，还必
须要有传播声音的媒介物质，它可以是空气、水等流体也可以是钢铁、玻璃
等固体。
物体振动是产生声音的根源，但并不是物体产生震
动后一定会使人们得到声音的感觉。因为人耳能感觉到的声
音频率范围只是在
20
～
20000Hz
之间，这个频率范围的声音称可听声，频率低于
20Hz
的声音
称为次声
（
infrasound
），
频率高于
20000Hz
的声音称为超声（
ultrasound
）。次声和超声对于人耳来说都是感觉不到
< br>的。
描述声音高低的物理量是频率，描述声音强弱的
物理量有：声压、声强、声功率以及各自相应的级，描述声音
大小的主观评价量是响度、
响度级。
?
声压与声压级
声源的振动以声波的形式在介质中传播，传播所涉及的区域称为声场（
sound
field
）。当声波在空气中传播
时，声场中某一点的空气分
子在其平衡位置沿着声波前进的方向发生前后振动，使平衡位置处空气的密度时疏
时密，
引起平衡位置处空气的压力相对于没有声音传播时的静压发生变化。我们将该点空气压强相对于静压强
的差值定义为该点的声压（
sound pressure
）。在连续介质中，声场中任一点的运动状态和压强变化均可用声压
表示。
声压是用来度量声音强弱的物理量。声音通过空气传入人耳，引
起耳内鼓膜振动，刺激听觉神经，产生声音的
感觉，声压越大，耳朵鼓膜受到的压力越大
，感觉到的声音越强。因为声波作用引起声场中某点介质压缩或膨
胀，所以声压有正有负
。声压可用瞬时声压和均方根声压（亦称有效声压）表示。声场介质中某点在某瞬时相
对
于静压强的单位面积上的声压变化即瞬时声压
（
instantaneous sound pressur
e
）；瞬时声压在某一时间周
期内的均方根值，即均方根声压<
/p>
(root mean square sound
pressure)
。
按下式计算：
（
Pa
）
(10-1)
公式中符号上部横线表示对时间加权平均，而
T
是测量的时间周期。
以下未注明的声压
均指均方根声压
。人耳刚能听到的声压定义为听阈声压，其值为
＝
2 ×
10
－
5
Pa
，也称基准声压；使人耳感觉疼痛的声压定义为痛阈声压，其值为
P
＝
20Pa
，两者之间相差
100
万倍，一<
/p>
般声音介于两者之间。由于常用的声音大小相差悬殊，为了度量与记录，采用级的概念，即
用声压的倍比关系
的对数量来表示，单位为分贝
(
decibel
，
dB)
，对于
均方根声压为
P
的声波，其相应的声压级（
sound
pressure level
）
为：
（
dB
）
（
10-2
）
常见的声压级范围如
图
10-1
所示。
图
10-1
声压级的相对范围
2
．声强与声强级
声音在介质中传播时，介质本身并不随着声波传播出去，而只
是在其平衡位置附近来回振动，可见声音的传播
实质上是振动的传播，传播出去的是物质
的能量，而非物质本身。声强
(sound intensity) I
定义为垂直于声波传
播方向单位时间、单位面积上通过声波的平均声能。
I
与声功率
W
的关
系为：
（
W/m 2
）
（
10-3
）
S
指垂直于声波传播方向的面积。声强以能量的方式来度量声音
的强弱，声强越大，表示单位时间内耳朵接受
到的声能越多，声音就越强。在自由声场中
，任一方向上的的声强为：
（
10-4
）
式中
p
－介质的密度，
kg/m 3
；
c
－声音在介质中的速度，
m/s
。
声波在弹性介质中传播的
速度称为声速。声速随弹性介质温度的上升而增加，在温度为
0
℃
的空气中声速为
331.4m/s
，声音在空气中传播时，声速与空气温度的关系为：
(m/s)
（
10-5
）
式中
c
—
声速，
m/s
；
t
—<
/p>
空气温度，
℃
。
声速在不同的介质中也是不同的，在水中的声速约为
1450
m/s
；在钢铁中约为
5000m/s
；在玻璃中约为
5000
～
6000m
/s
；在砖墙中约为
2000m/s
。
为使用方便，通常用声强级（
sound intensity level
）
L I
代替声强来描述声音的强弱，其表达式为：
（
dB
）
（
10-6
）
式中，
为基准声强，
3
．声功率和声功率级
功定义为物体位移的距离与作用在位移方向上力的乘积，因此
把声波沿着声波传播的方向传送能量即作功的速
率定义为声功率
(sound power) W
。声功率是反映声源特性的物理量，其大小反映声源辐
射声能的本领。它与
声强
I
的关系为：
，对应于气温为
20
℃
时的基准声压，由式（
10-4
）确定。
(W)
（
10-7
）
式中
S
—
包围声源的封闭面积，
m 2
。
声功率级（
sound power
level
）
L W
的数学表达式为：
（
dB
）
（
10-8
）
式中，
W
为对应于基准声强的基准声功率，
?
声级的运算
对于以分贝为单位的各种声级的运算可按下列公式进行：
<
/p>
（
1
）级的相加。设
n
个声源产生的同名级
(
声功率级
、声强级或声压级
)
分别为
L 1
，
L 2
，
…
，
L n
（
dB
），
则
合成的总声级为：
。
（
dB
）
（
10-9
）
（
2
）级的相减。若已知两个声源的
声级之和为
L
，其中的一个声级为
L
l
，则求另一个声级
L 2
可通过级的
相减，即由下列式子算出：
（
dB
）
<
/p>
（
10-10
）
式中，
△
L
＝
L-L 1
（
dB
）。
（
3
）级的平均。
< br>n
个声源所产生的声级的平均值可按下式求出：
（
dB
）
<
/p>
（
10-11
）
式中
L
－
n
个声源的声级
(
同名声级
)
之和，由式
(10-9)
算出。
例如在计算一声源的等效（连续）
A
声级
L Aeq
时就要用到级的平
均公式，譬如对该声源采取采样测量，且
采样的时间间隔相同，共采样
< br>n
次，相应的
A
声级分别为
L l
，
L 2
，
…
，
L n
，则可按下式计算出该声源的等
效
A<
/p>
声级：
（
dBA
）
（
10-12
）
二、声音的传播与衰减
声波作为机械波的一种，具有波在传播中的一切特性。当声波
在前进过程中，遇到尺寸比其波长大得多的障碍
物时，就会发生反射（
< br> reflection
）；当遇到尺寸较小的障碍物或孔隙时，就会发生衍射（
diffraction
，旧称
“
绕
射
”
），由于衍
射现象同障碍物尺寸与声波波长的比值有关，低频噪声更容易发生衍射；当两个或数个声波在
传播过程中相遇，其振幅会叠加或削弱，这种现象叫做干涉（
interferen
ce
）。另外，还有声音的共鸣现象和掩
蔽效应，等等。
由于噪声在传播中要不断地被衰减，因此离噪声源近，噪声大些；
离噪声源远，噪声就小。噪声衰减的原因主
要：①当声波从声源向四面八方辐射时，波前
的面积随传播距离的增加而不断扩大，声波被扩散，通过单位面
积上的声能相应减少；②
由于传播媒质的粘滞性、热传导和分子驰豫过程等原因，声波被吸收，这两点均使声
波在
传播过程中声能不断地被转化为其他形式的能量，从而导致声强不断衰减。下面主要分两种情况讨论。
?
不计空气吸收的声传播与衰减
声源类型分点声源、线声源和面声源。声源类型不同，所发出的声波波阵面形状也不同。声波
在空间的分布，
叫做声场。若声源处于自由空间，即没有任何反射面，则其声场称为自由
声场（
free field
）；若声源处于高度
反射空间，例如一间墙壁、天花板和地板都是钢板的房间，则形成的声场称为混响场或回声场（
reverberant
field
）。
< br>当不计空气吸收时，点声源发出的声波，其测点声压级随测点距声源的距离变化为：
（
dB
）
<
/p>
（
10-13
）
-
-
-
-
-
-
-
-
-
上一篇：PLP及MFCC在藏语连续语音识别系统中的比较
下一篇：PTE 单词表