声学基础知识

本文大纲如下：

声波

基本概念

声音由物体的振动产生。

音叉振动时，激励周围空气质点振动，产生一个压强波动叠加在大气压上。由于空气具有可压缩性，在质点的相互作用下，不断地交替产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播。

声波的传播方式不是物质的移动， 而是能量的传播。 质点并不会随声波向前扩散，而仅在原来的平衡位置附近振动，靠质点之间的相互作用影响邻近质点的振动，从而向四周传播能量，形成波动。
声波可以在弹性介质中传播，不能在真空中传播。

声音的产生：当物体振动时，会引起周围空气的波动，导致空气粒子间的距离发生疏密变化，从而引发空气压强的改变，再通过耳膜对空气压力的反映进人大脑。

声波：从物理学角度来看，声是一种机械波，是由物体振动产生的，物体振动使周围的介质（空气）产生波动。空气中传播的波是纵波。

声波也分为周期性声波和非周期性声波，最简单的周期声波是单频的声波，也称为纯音。它是由简谐振动产生的频率固定、并按正弦变化的声波。

人耳所能感受到的声波频率是从 20Hz~20KHz。

声波物理量

声压

声压是由于声波的存在而引起的压力增值，单位为 Pa。但通常讲的声压是取均方根值，叫有效声压，故实际上总是正值。

声功率

声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在噪声监测中，声功率是指声源总声功率，单位为 W。

声强

声强是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向单位面积的声能量，单位为W/S。称为空气对声波的特性阻抗。

声压级

声压级常用符号 SPL来表示，但有用其他符号，如 LP, L, LdB, L（dB）或 L（dBA）等形式，A 表示 A 计权。在声学领域，dB 经常用作为表征声压级 SPL (Sound Pressure Level）的大小。
人类耳朵对声音强度的反应不是线形的，而是成对数比例关系，使得对数的单位可以拿来代表人类听觉变化的比例，因此，以对数 dB 形式表示的声压级应运而生了。分贝是声压级的单位。

分贝（dB）定义为两个数值的对数比率，这两个数值分别是测量值和参考值（也称为基准值），存在两种定义情况：

根据人耳可听的声压幅值波动范围可算出：

声压的参考值是20uPa ，这个值表示人耳在 1000 Hz 处的平均可听阈值，或者是人耳在 1000Hz 处可被感知的平均最小声压波动值。
声音压力每增加一倍， 声音量级增加6dB。

什么是 -3dB

-3dB 也叫半功率点或截止频率点。这时功率是正常时的一半，声压是正常时的 0.707。

人耳可听的声音有一定的频率范围（20-20K Hz）和一定的声压级范围（0-120dB），人耳不是对所有频率的敏感度都相同。正常人耳最敏感的频带是 3000Hz 到 6000Hz，通常，低频段和高频段声音感知能力不如中频段。
一般需要对听到的声压级，通过增益因子进行修正。使用最多的是A计权。dBA 是指对声音的 A 计权。通常对 A 计权的结果，用单位 dBA 或 dB (A）来表示。A 计权对应40方等响曲线，B，C对应70，100方的等响曲线。

声的复合

当空间上存在两个或两个以上的声源时，这时每个声源发出的声波在空间进行传播不会因为其他声波的存在而改变其传播规律。但是在空间某位置上的波动是各个声波在该点激发起来的振动的叠加，这种现象称为声波的叠加。

声波叠加

两个声波在叠加时，存在几种特殊情况：

幅值频率相同，传播方向相同，相位相反。两声波叠加时，会相互抵消，幅值为零。达到消声目的

幅值相同，传播方向相同，频率相近。声波在叠加时会产生所谓的“拍”现象。

当两个声波的频率差处于不同频率范围时，会表现出不同的调制特性。如果二者频差低于 20Hz，会出现明显的幅值波动，拍现象所示就属于这种情况；当频差大于 20HZ，而低于 300Hz 时，能感受到明显的粗糙特性；而当频差大于 300HZ 时，可以感受到两个明显的纯音。

基波

将一个标准的正弦波作为基准，称作基波。

谐波

也称泛音，谐波就是比基波的频率高整数 倍的波。
基波和谐波的叠加构成了声音的复合。

单音

特指单一乐器演奏独立的一个音发出的声波（谐波叠加），其基波的频率称为音高。

不同乐器的单音所叠加的谐波在频率和振幅上都不相同，因此乐器的音色千差万别。

声音四要素

响度（loudness)

是人耳对于声音大小的主观感受，单位是宋（Sone）和方（Phon）。 也叫音强

与振幅相关
与声音强度成对数比例。
声音频率有关

低频声音需要有更高声压级才能具有高频声音同样的响度。
响度除了和声压级、频率有关外，和信号的持续时间也有关系。对于持续时间少于 200ms 的纯音信号，人们会觉得随持续时间变大声音越来越响，持续时间超过 200 ms 后响度趋于稳定。

音调（pitch)

是人对声调或者说音高的主观感受，单位是美（Me)， 也叫做音高。

由频率决定；
音调也与声音强度有关。
音调与频率不同

音长

声音持续时长

音色（Timbre)

音色不同是由于不同声音各自的频率成分以及幅度不全相同造成。也叫做音质。

正弦波中频率最低的便为基波

频率比基波高的正弦波称为谐波

不同的频率成分构成不同的音色。

人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声域。

在人耳的声域范围内，声音听觉心理的主观感受主要有响度、音高、音色等特征和掩蔽效应、定位等特性。

响度、音高、音色、音长可以在主观上用来描述具有振幅、频率和相位三个物理量的任何复杂的声音，故又称为声音“四要素”，它们是心理声学的基础。

审核编辑：汤梓红