第1章 聲音的物理特性

1、教育電聲系統(tǒng)教育電聲系統(tǒng)電聲系統(tǒng)電聲系統(tǒng)聲源聽眾環(huán)境環(huán)境電聲設備電聲設備電聲設備教育電聲系統(tǒng)電聲技術(shù) 電聲技術(shù)是利用電子技術(shù)和應用聲學的原理解決可聞聲發(fā)生、接收、變換、處理、加工、記錄、重放及傳播等問題。并吸收、融合了其它許多相關學科的研究成果而形成的一門邊緣性、應用型的學科。 教育電聲系統(tǒng) 電聲技術(shù)又是綜合了電子、精密機械、自動控制、激光、材料、計算機等先進科學與技術(shù)。 電聲系統(tǒng)的核心是電聲技術(shù)，并與建筑聲學、生理和心理聲學密切相聯(lián)系的一門學科。教育電聲系統(tǒng)一百多年（1906年美國人 真空三極管） 模擬技術(shù) 數(shù)字音響技術(shù)單聲道 雙聲道立體聲 環(huán)繞聲聲音制作： 專業(yè)人員 一般人員電聲技術(shù)的歷史

2、和發(fā)展：電聲設備的功能和手段日益豐富教育電聲系統(tǒng)電聲系統(tǒng)包括：1、廣播系統(tǒng)無線廣播無線廣播和和有線廣播有線廣播2、節(jié)目制作系統(tǒng)主傳聲器方式和多聲道合成3、電腦音樂系統(tǒng)聲音制作和音樂創(chuàng)作4、語言學習系統(tǒng)聽音型、聽說型、聽說對比型、視聽型教育電聲系統(tǒng) 電聲技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，其產(chǎn)生的聲音效果由許多因素決定:聲源環(huán)境設備錄制、操作技術(shù)教育電聲系統(tǒng)教育電聲系統(tǒng)教學目標1、了解聲音的產(chǎn)生與傳播2、知道聲音的振動特性3、知道聲音的傳播特征教育電聲系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 聲場與聲波聲場與聲波一、聲音的產(chǎn)生與傳播 聲音是“聲”和“音”的合稱；“聲”是總稱，“音”則是指有調(diào)的音。教育電聲系統(tǒng)1、聲音的產(chǎn)生 現(xiàn)象：

3、 撥動琴弦時，看到琴弦振動，同時也聽到了聲音，當琴弦振動停止時，聲音隨之消失。敲擊音叉時結(jié)論：振動產(chǎn)生聲音。教育電聲系統(tǒng)2.聲波的傳播聲音的振動是以波動的形式向外傳播的 。水波的傳播：當在平靜水面上投一石子，在水面上就可看到向四周擴散的水波紋。（橫波：傳播方向與質(zhì)點振動方向垂直） 教育電聲系統(tǒng)ABCD聲波的傳播過程聲波的傳播過程教育電聲系統(tǒng) 在具有質(zhì)量和彈性的媒質(zhì)中，在具有質(zhì)量和彈性的媒質(zhì)中，任何氣流擾動和機械振動都會產(chǎn)生任何氣流擾動和機械振動都會產(chǎn)生聲音。聲音。定義：定義：教育電聲系統(tǒng)振動和波動的關系振動是波動產(chǎn)生的根源，而波動是振動的振動是波動產(chǎn)生的根源，而波動是振動的傳播過程。傳播過程。

4、聲音在本質(zhì)上是一種波動，又稱聲波聲音在本質(zhì)上是一種波動，又稱聲波教育電聲系統(tǒng) 結(jié)論：人類所能接觸到的一切音響都來源于物體的振動。引起聲音振動的物體稱之為音源，聲音所及的空間范圍稱為聲場。教育電聲系統(tǒng) 人耳接收： 當這些疏密地交替變化的聲波傳播到人耳時，引起人耳鼓膜做相應振動，這種振動通過聽覺系統(tǒng)傳到聽覺神經(jīng)，經(jīng)大腦細胞分析、處理后使人們產(chǎn)生了聽覺。教育電聲系統(tǒng)由此可見，人耳聽到聲音有三個基本條件聲源：振動的對象，如音叉、吉他、簧片、小提琴、揚聲器等 傳播媒質(zhì)：空氣、水、木材、鋼鐵等聲波可在氣體中傳播，也可在固體和液體固體和液體中中傳播，因為它們都是彈性媒質(zhì)。 人耳聽覺：耳朵獲取振動，大腦將這些

5、振動解釋為特定的聲音。人耳的主觀聽覺特性 教育電聲系統(tǒng)二、聲音的振動特性二、聲音的振動特性1.振動 物體在一個平衡位置附近作往復運動稱為簡諧振動，最基本最簡單的振動就是簡諧振動（周期振動） 。 任何復雜的周期振動都可以分解成許多簡諧振動。 教育電聲系統(tǒng)簡諧振動可用下述函數(shù)描述：A（t）=A p sin（t+）式中A p 是幅值； 是角頻率； 為初始相位。 （幅值越大，聲音越大幅值越大，聲音越大）。A pt幅幅值值0教育電聲系統(tǒng)2.聲音的頻率、 振動物體每秒鐘重復振動的次數(shù)，用f表示，單位用Hz表示。實際上聲源的頻率為0-幾M Hz 完成一次振動所需要的時間稱為周期，用T表示。二者之間的關系 f

6、 =1/TT時間時間t密部疏部教育電聲系統(tǒng) 人的聽覺可感知的頻率范圍的聲波稱為可聞聲。 20Hz20000Hz低于20Hz或高于20kHz的聲波，人耳感受不到。20赫茲以下的叫次聲波，而20000赫茲以上的叫超聲波。頻率20Hz20kHz次聲波超聲波教育電聲系統(tǒng)3.波長 完成一次振動所走過的距離，稱波長（ ）單位用m表示 f =20Hz-20000Hz =17m-1.7cm 波長和聲速有如下關系fc距離距離L教育電聲系統(tǒng)三、聲波的強度（聲壓或聲強） 在沒有聲波擾動的空氣中，存在著靜態(tài)的大氣壓強105Pa (氣壓的國際單位是帕斯卡,簡稱帕帕，符號是Pa )。 當有聲波傳播時，空氣發(fā)生疏密發(fā)生變化

7、,因而空氣的（密度）壓強發(fā)生變化，也即在靜態(tài)的大氣壓的基礎上又產(chǎn)生一個交變的壓強。這個由聲波引起的那部分交變的壓強就是聲壓。聲壓。 教育電聲系統(tǒng)壓強P 靜態(tài)的大氣壓強105Pa 聲壓0.0002 b （微巴）（微巴）200 b （微巴）（微巴）（1Pa=10 b）教育電聲系統(tǒng) 聲壓聲壓:聲場中某處的聲壓指該處的壓強聲場中某處的聲壓指該處的壓強值與沒有聲波時該處的壓強值（靜態(tài)的大值與沒有聲波時該處的壓強值（靜態(tài)的大氣壓強）的差值氣壓強）的差值。 聲壓的大小與物體的振動有關，物體振聲壓的大小與物體的振動有關，物體振動的幅度越大，壓強的變化越大，產(chǎn)生的動的幅度越大，壓強的變化越大，產(chǎn)生的聲壓（聲強）

8、越大。聲壓（聲強）越大。 聲強聲強:通過垂直于傳播方向上的單位面通過垂直于傳播方向上的單位面積的平均聲功率，用積的平均聲功率，用I表示。表示。教育電聲系統(tǒng)四、平面聲波和球面聲波的區(qū)別四、平面聲波和球面聲波的區(qū)別 波陣面為平面 如細管中聲波 I= W/S 它與距離無關。 波陣面為球面 I=W/4r2二者的關系：當聲源頻率較高時和與聲源距離較遠時，球面聲場可作平面聲場處理。教育電聲系統(tǒng)第二節(jié) 聲波的傳播一、聲速 聲波在媒質(zhì)中，每秒鐘傳播的距離。記作C，單位為米/秒。 C=331.5+0.6t(m/s) t為空氣溫度 室溫下空氣中聲速 c=340m/s。聲速的大小與媒質(zhì)的彈性、密度和溫度有關。教育電

9、聲系統(tǒng)二、媒質(zhì)對聲波的吸收 聲波在媒質(zhì)中傳播時，聲能會由于物由于物體的振動或在物體內(nèi)部傳播時介質(zhì)的摩擦體的振動或在物體內(nèi)部傳播時介質(zhì)的摩擦或熱傳導產(chǎn)生損耗或熱傳導產(chǎn)生損耗，聲能將逐漸減少，這種現(xiàn)象稱為媒質(zhì)的吸收。 它與媒質(zhì)成分有關。取決于媒質(zhì)的吸聲系數(shù)另還與溫度、濕度及聲音頻率有關。教育電聲系統(tǒng)三、平方反比定律 眾所周知，當我們離開聲源時，隨著距離的增加聲強會逐漸減小，減小的原因是因為聲強與聲源的功率呈正比與距離的平方成反比。 對于點聲源 I =W/4r2教育電聲系統(tǒng)S點聲源w教育電聲系統(tǒng)四、 聲波的反射和折射 當聲波從一種介質(zhì)到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的交界面上一部分被反射，形成反射波。另一

10、部分穿過交界面進入第二介質(zhì)形成折射波。教育電聲系統(tǒng)I入I反1 21、聲波的反射（同幾何光學反射定律）、聲波的反射（同幾何光學反射定律）反射定律的基本內(nèi)容是：（1） 入射聲線、反射聲線和反射面的法線在同一平面內(nèi)。（2） 入射聲線和反射聲線分別位于法線的兩側(cè)。（3） 入射角等于反射角。 1=2教育電聲系統(tǒng)法線法線教育電聲系統(tǒng) 2、聲波的折射聲波的折射 sin 1sin 2=C1C2 1 2C1C2法線不同介質(zhì)的分界面入射角與折射角的關系：教育電聲系統(tǒng)由上式可見：由上式可見： 當當C1C2時，時，12；當當C1C2時，時，12。 聲波聲波從聲速大的媒質(zhì)進入聲速小的媒從聲速大的媒質(zhì)進入聲速小的媒質(zhì)質(zhì)中

11、，聲波的傳播方向中，聲波的傳播方向折向法線折向法線；反之，；反之，折離法線。折離法線。教育電聲系統(tǒng)為什么聲音在晚上要比白天傳的遠？ 因為白天地面溫度較高，聲速較大，遠離地面的地方，聲速較小，因而聲的傳播方向折向法線折向法線，向上彎曲。而晚上向下彎曲。教育電聲系統(tǒng)五、 聲波的繞射 上述假設聲音是沿直線傳播的，但這種假設只限于反射面或障礙物以及孔洞的尺寸比聲波波長大得多時才有效。 當障礙物的大小比聲波波長小得多時，則聲波不是沿著直線傳播，而是改變前進的方向繞過障礙物，這種現(xiàn)象稱為波的繞射或衍射。教育電聲系統(tǒng)隔板長度比波長小隔板長度比波長小隔板長度比波長大隔板長度比波長大教育電聲系統(tǒng)聲波的繞射與波長

12、、障礙物的大小有關。聲波的繞射與波長、障礙物的大小有關。 聲波波長在1.7cm17m的范圍內(nèi)，是可以與一般障礙物（如墻角、柱子等建筑部件）的尺度相比的，所以能繞過一般障礙物，使我們聽到障礙物另一側(cè)的聲音。 教育電聲系統(tǒng)六、聲波的干涉與駐波現(xiàn)象 幾個聲源在同一媒質(zhì)中傳播時，每列波相遇后能夠保持各自的狀態(tài)繼續(xù)傳播，只是在相互重疊的區(qū)域內(nèi)，空間某點的振動是每列波傳播時在該點引起的振動的合成。聲波聲波的疊加原理的疊加原理。 每列波都對該點作出了獨立的貢獻，不會因某一聲波的存在而影響其他聲波的物理特性（波長、頻率等）。教育電聲系統(tǒng) 我們討論一種最簡單但又比較重要的情況，就是兩個頻率相同，振幅相同，相位差

13、相同或恒定的波源所發(fā)出波的疊加。 當這兩個波在空間任何一點相遇時，在空間的某些點處，振動同向而加強，而在某些地方振動反向抵消或減弱。該現(xiàn)象稱為波的干涉現(xiàn)象波的干涉現(xiàn)象。 教育電聲系統(tǒng) 駐波是由兩列振幅、頻率相同、傳播速度相同而傳播方向相反的兩列波疊加而成。形成駐波時，它使直線上的某點始終靜止不動，另一些點的振幅具有最大值，等于每一個波的振幅的兩倍，其它各點的振幅在零到最大值之間，結(jié)果使直線上的各點作分段振動。駐波是一種特殊的干涉現(xiàn)象。教育電聲系統(tǒng)教育電聲系統(tǒng)波腹波節(jié)音叉振動后在弦線上產(chǎn)生一自左向右傳 播 的行波，傳到支點 O 后發(fā)生反射，弦線中產(chǎn)生一自右向左傳播的反射波，當弦長接近12波長的整

14、數(shù)倍時，形成駐波。 教育電聲系統(tǒng) 在這種分段振動中，各個分段各自獨立的振動，它的波形并沒有跑動，而是駐定不動的。始終靜止不動的點稱為波節(jié)。振幅最大值的各點稱為波腹。 駐波是由波節(jié)和波幅相間組成的。波節(jié)與波腹每隔/4交替產(chǎn)生，相鄰兩波節(jié)或波腹相隔/2。教育電聲系統(tǒng) 由于語言和音樂是由許多頻率組成的復合音，即使發(fā)生干涉現(xiàn)象，也不易被人耳聽見。 在一般情況下，在大型觀眾廳內(nèi)，干涉現(xiàn)象就不那么嚴重。只有在小室內(nèi)，如錄音、播音、監(jiān)聽和琴室等小房間需特別注意這一問題。教育電聲系統(tǒng)思考題：1、簡述敲擊音叉時聲波的形成過程。2、聲音與聲波的區(qū)別。3、為什么順風傳播比逆風傳播更容易聽到聲音？ 教育電聲系統(tǒng)教育電

15、聲系統(tǒng) 隨著鼓膜的往復振動，空氣隨著鼓膜的振動發(fā)生疏密變化，而這些變化又引發(fā)相鄰區(qū)域的變化，這樣一點一點地相互影響，就使得鼓膜周圍的空氣密度和壓力變化向周圍空間推進，形成疏密地交替變化的聲波。（縱波：傳播方向（縱波：傳播方向與質(zhì)點振動方向一致與質(zhì)點振動方向一致)教育電聲系統(tǒng)教育電聲系統(tǒng)教育電聲系統(tǒng)調(diào)制器解調(diào)器廣播電臺廣播廣播電臺廣播廣播電臺收音機教育電聲系統(tǒng)會場無線擴聲會場無線擴聲教育電聲系統(tǒng)家庭放聲系統(tǒng)家庭放聲系統(tǒng)教育電聲系統(tǒng)廳堂擴音廳堂擴音調(diào)音臺或擴音機左音箱右音箱功率放大器CD、錄音機、電子樂器等聽眾區(qū)教育電聲系統(tǒng)家庭影院放音系統(tǒng)家庭影院放音系統(tǒng)教育電聲系統(tǒng)節(jié)目制作系統(tǒng)節(jié)目制作系統(tǒng)-主傳

16、聲器方式合唱隊鋼琴領唱調(diào)音臺錄音機主傳聲器12341234教育電聲系統(tǒng)節(jié)目制作系統(tǒng)節(jié)目制作系統(tǒng)-多（聲道）傳聲器方式多軌錄音機多軌錄音機調(diào)音臺音頻處理音箱功率錄音機音箱前期拾音與記錄前期拾音與記錄后期制作合成后期制作合成教育電聲系統(tǒng)聲音制作 將麥克風、線路輸入、電腦中的聲音錄制下來，進行編輯、處理和添加效果后生成新的聲音文件。教育電聲系統(tǒng)音樂創(chuàng)作（制作） 借助于電腦音樂系統(tǒng)，可以把所有的聲部、所有的樂器一軌一軌地錄入電腦，自己是作曲也是指揮，而電腦就是你的演奏員。幾乎所有的樂器都可用MIDI鍵盤演奏，一個人就能組成一個交響樂隊。教育電聲系統(tǒng)敲擊鼓膜時,聲波形成的過程如下: 鼓膜振動，當向左移動

17、時，A處的空氣受到擠壓變得稠密，形成密集區(qū)。這部分密度大的空氣就會擠壓臨近B處的空氣，使B處的空氣有形成密部的趨勢。但鼓膜很快又向右移動，此時A處的空氣變得稀疏，形成疏部。這時B處的空氣受到擠壓變成密部，并且有使C處的空氣有形成密部的趨勢。教育電聲系統(tǒng) 隨著鼓膜的往復振動，空氣隨著鼓膜的振動發(fā)生疏密變化，而這些變化又引發(fā)相鄰區(qū)域的變化，這樣一點一點地相互影響，就使得鼓膜周圍的空氣密度和壓力變化向周圍空間推進，形成疏密地交替變化的聲波。（縱波：傳播方向與質(zhì)點振動方向一致（縱波：傳播方向與質(zhì)點振動方向一致)教育電聲系統(tǒng)1906年美國人德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，開創(chuàng)了人類電聲技術(shù)的先河。 1917

18、年，電容式麥克風。1920年世界上第一個無線廣播電臺開始播音。20-30年代有線廣播、無線廣播、有聲電影普遍應用學校教育，形成教育技術(shù)史上“視聽教育”的發(fā)展時期。1930年代中期，根據(jù)電容式麥克風原理，靜電揚聲器面世。1954年第一臺晶體管收音機投入市場，僅包含4只鍺晶體管。50年代左右聲音的加工處理手段和立體聲的研究有了很大的發(fā)展。1962年荷蘭Philips公司推出盒式磁帶錄音機。60-70年代電聲設備、電聲器件朝著高保真、寬頻帶、高靈敏度和高抗噪聲方向發(fā)展，立體聲技術(shù)已經(jīng)成熟。教育電聲系統(tǒng)70年代世界各國大力發(fā)展“廣播電視大學”這一時期作為教育傳播媒介的電聲媒體發(fā)揮了重要作用。同時也確立了她在教育領域中的地位。1972年，荷蘭Philips公司推出了激光視盤機LD(Laser Disc)。這可是轟動一時的大事件，甚至可以作為數(shù)字時代的元年，因為這是在民用消費電子領域第一次出現(xiàn)了數(shù)字的概念。1981年Philips和Sony聯(lián)合開發(fā)了數(shù)字激光唱機，稱為CD唱機，全稱 CD-DA。1987年年DAT開始進入家庭。此時家用音響系統(tǒng)的性能已達到模擬式專業(yè)音響系統(tǒng)的水平。 1990年年幾乎是同時開發(fā)了DCC（數(shù)字盒式磁帶錄音機）和MD（小型激光唱片）。90年代以后，特別是計算機音頻工作站的出現(xiàn)，使電聲技術(shù)步入了一個