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1/聲音的產(chǎn)生
聲音是由物體振動(dòng)引起空氣的波動(dòng),傳到耳膜,經(jīng)過聽覺神經(jīng)聽到聲音。
聲源:發(fā)生聲音的振動(dòng)源叫作聲源。
聲波:由聲源引起媒質(zhì)的振動(dòng)形成聲波。
聲場(chǎng):聲波傳播的空間叫作聲場(chǎng)。
聲音在空氣中是以一疏一密的縱波傳播的。為什么叫“縱波”,因?yàn)樗M(jìn)行方向和傳播方向一致。
2/聲速與波長(zhǎng)
聲波在單位時(shí)間內(nèi)傳播的距離稱為聲速,常用符號(hào)“C”表示,單位是米/秒(M/S)。一般來說聲速只和傳播媒質(zhì)及其狀態(tài)有關(guān),在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和溫度為20°C 時(shí),空氣中的聲速為344 米/秒;15°C 時(shí)為340 米/秒,工程計(jì)算一般取344 米/秒(因?yàn)闇囟群蜐穸葘?duì)聲速影響比較大,溫度每增加1°C,聲速增加2 英尺)。如果聲波在水中傳播,聲速約為1485 米/秒,在海水中1500 米/秒,在木材中為3320 米/秒,在鋼材中則為5000 米/秒。
聲速在室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)和擴(kuò)聲技術(shù)中應(yīng)用很多,一般以毫秒計(jì)算,即千分之一秒,1S/1000,簡(jiǎn)寫MS。
聲波振動(dòng)一周所傳播的距離為波長(zhǎng),常用符號(hào)“λ”表示,單位是米(M)。聲波的波長(zhǎng)與聲速和頻率的關(guān)早期反射聲都控制在50MS 以內(nèi),在常溫下50MS 所傳播的距離為340M 0.05=17M,要記牢這個(gè)數(shù)值,它是一個(gè)界限,50MS 以內(nèi)的早期反射聲,有助于加強(qiáng)直達(dá)聲。超過50MS 的反射聲會(huì)影響清晰度。系如下:
λ=C/f f 為頻率
由此可見,相同條件下,頻率越高,波長(zhǎng)越短。例如,常溫空氣中,頻率為20HZ 聲波的波長(zhǎng)為17.20米,頻率為5 千赫的聲波波長(zhǎng)為0.0688 米。
3/反射、折射和透射
聲音在傳播過程中,遇到墻壁等障礙物時(shí),一部分聲波在分界面處將改變傳播方向返回到原來的媒質(zhì)中去,而另一部分聲波則以新的傳播方向進(jìn)入到新的媒質(zhì)中去,并在新的媒質(zhì)中繼續(xù)向前傳播。這種就是聲波的反射和折射現(xiàn)象。聲波的反射和折射同樣滿足反射和折射定理,聲波在室內(nèi)的的多次反射是形成混響的主要原因。
聲透射則是指聲波在多層媒質(zhì)中傳播經(jīng)歷了分界面的多次折射后,透過中間各層到達(dá)最后一種媒質(zhì)的現(xiàn)象。
4/聲波的衍射和散射
聲波遇到墻壁或其它障礙物時(shí)還會(huì)在邊角上沿著物體的邊緣而“彎曲”傳播,這種現(xiàn)象被稱為聲繞射(或聲衍射)。研究表明,衍射的程度取決于聲波的波長(zhǎng)與障礙物線度的相對(duì)大小,即波長(zhǎng)對(duì)障礙物線度的比值越大,衍射愈強(qiáng),反之亦然。如果障礙物的線度比波長(zhǎng)大許多,雖然還有衍射現(xiàn)象,但是在障礙物的邊緣附近將形成一個(gè)明顯的沒有聲波的區(qū)域(聲影區(qū))。通常認(rèn)為物體線度小于λ~5λ時(shí),入射聲波基本上會(huì)繞過物體;相當(dāng)于5λ~10λ時(shí)還有一些繞射;接近于30λ時(shí),幾乎完全被遮擋。
圖1、1、1 所示的幾個(gè)例子可以幫我們了解聲繞射出現(xiàn)的一些情況。
圖 1、1、1 聲波的繞射現(xiàn)象
圖 1、1、1 中,障礙物好比是卡拉OK 廳中的一根柱子,會(huì)在它后面的客人的視線完全被柱子所遮擋,但仍然可以聽到來自舞臺(tái)上的大部分聲音。這是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)隨頻率高低而有很大的差異,只有那些頻率較高,波長(zhǎng)比柱敢直徑小很多的聲波,才會(huì)在柱子后面形成聲影區(qū)。例如,坐標(biāo)在直徑1 米的圓柱后面,對(duì)于1700赫(λ=0.2 米)以上的高頻聲波有明顯的遮擋作用。至于大部分頻率較低,波長(zhǎng)與柱子直徑接近或大得多的聲波,由于聲繞射現(xiàn)象的存在,柱子幾乎不起遮擋作用。
另一方面,利用柱面反射聲音,只有聲波長(zhǎng)小于或者接近柱子直徑的聲波,才會(huì)被有效地反射。例如,要使200 赫以上頻率的聲波有效地反射,柱面的尺度至少要1.7 米左右。當(dāng)然,柱面對(duì)聲音的反射程度和它的表面有關(guān),但這里只談尺度關(guān)系。
圖 1、1、1 中,障礙物好比一座高大的圍墻,對(duì)于波長(zhǎng)比圍墻尺寸小得多的聲音,能夠產(chǎn)生明顯的聲影區(qū)。當(dāng)然墻邊上還會(huì)出現(xiàn)一些繞射現(xiàn)象,但只限于局部范圍。
和上面情況成對(duì)照的是,當(dāng)聲波通過一個(gè)洞孔時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象,洞口好象是一個(gè)新的點(diǎn)聲源,如圖1、1、1 所示,這是由于聲波波長(zhǎng)比洞孔尺寸大得多的緣故。便是光的波長(zhǎng)則要比洞孔尺寸小得多,所以光通過洞孔時(shí)是一束光線。當(dāng)然如果聲波的頻率很高,在通過洞孔時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似于光束的聲束,它帶有很強(qiáng)的方向性,如圖1、1、1 所示。
聲波在傳播路徑上遇到線度比其波長(zhǎng)甚的障礙物時(shí)就會(huì)產(chǎn)生散射。在有障礙物的聲場(chǎng)中,散射的強(qiáng)弱與障礙物的線度對(duì)波長(zhǎng)的比值有關(guān)。障礙物越大,或波長(zhǎng)越短,則散射越強(qiáng)。散射與衍射在本質(zhì)上是一回事,衍射是指一束聲波會(huì)繞到物體背面的現(xiàn)象,而散射是指波束方向會(huì)在物體表面散亂。散射對(duì)于保證聲場(chǎng)的均勻有重要的作用。
5/聲波干涉
兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向相同且步調(diào)一致的聲源發(fā)出的聲波相互迭加時(shí)就會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。如果它們的相位相同,兩聲波迭加后其聲壓加強(qiáng),反之,如果它們的相位相反,兩聲波迭加后便會(huì)相互減弱,甚至完全抵消。由于聲波的干涉作用,常使空間的聲場(chǎng)出現(xiàn)固定的分布,形成波腹和波節(jié),即出現(xiàn)我們通常所說的駐波。
造成聲波干涉的條件是經(jīng)?梢杂龅降,我們不妨以兩只揚(yáng)聲器播放同頻率聲音的情況為例來說明:
(1) 當(dāng)兩只揚(yáng)聲器在同相位狀態(tài)下振動(dòng)發(fā)聲時(shí),由于等距關(guān)系,聲波到達(dá)兩揚(yáng)聲器之間中軸線上的各點(diǎn)時(shí)總是處在同相位狀態(tài),于是來自兩只揚(yáng)聲器的聲波在該處相互加強(qiáng)。
(2) 當(dāng)兩只揚(yáng)聲器在反相位狀態(tài)下振動(dòng)發(fā)聲時(shí),情況正好相反,聲波到達(dá)兩揚(yáng)聲器之間中軸線上的各點(diǎn)時(shí)總是處在反相位狀態(tài),于是來自兩只揚(yáng)聲器的聲波在該處相互抵消,導(dǎo)致兩只揚(yáng)聲器還不如一只揚(yáng)聲器響的奇怪現(xiàn)象。
這就告訴我們,連接音箱和功放時(shí)一定要保持它們正負(fù)極性的一致,否則就會(huì)出現(xiàn)上面的第二種情況。
當(dāng)然,對(duì)于立體聲系統(tǒng)而言這樣的結(jié)果往往還會(huì)導(dǎo)致聲像定位不準(zhǔn),即聲源“飄忽”的感覺。
在廳堂內(nèi)由于墻壁反射也會(huì)出現(xiàn)聲波的干涉現(xiàn)象,例如,從聲源發(fā)出的直射波和來自墻壁或平頂?shù)姆瓷洳ㄔ诳臻g各點(diǎn)要相互干涉。如果它們是績(jī)音信號(hào),這種干涉現(xiàn)象必然會(huì)引起空間各點(diǎn)聲場(chǎng)的很大差異,有些地方聲波會(huì)加強(qiáng),有些地方聲波會(huì)減弱,甚至完全抵消而成“死點(diǎn)”。好在語言和音樂是由許多頻率組成的復(fù)合聲,可以有“此起彼伏”,“填平補(bǔ)齊”的效果,使干涉效應(yīng)不太明顯。但是,由于不同頻率信號(hào)所產(chǎn)生的干涉效果不同,即某些頻率的信號(hào)是相互加強(qiáng)的,而另一些頻率的信號(hào)是相互減弱的,所以常常導(dǎo)致房間傳輸特性的不均勻。
大中型卡拉 OK 尺寸一般比低頻聲的波長(zhǎng)還要大許多,形狀也往往不規(guī)則,而且廳內(nèi)又還有許多門窗等形狀不規(guī)則的物體,這些都會(huì)“打亂”和“破壞”引起干涉的條件,因而干涉現(xiàn)象也步不那么嚴(yán)重了。
6/語言和音樂的特性
語言和音樂都是由頻率不同、強(qiáng)度不等的許多聲音分量組成的,它們?cè)诎l(fā)聲過程中不斷地變化著。歌聲和音樂都包含了許多分音(諧波),分音強(qiáng)度的相對(duì)關(guān)系確定了音色。而樂音的音調(diào)則是由這種復(fù)音中頻率最低的基音所確定的。此外,描述一個(gè)樂音還要有另外一些量,例如顫音、持續(xù)時(shí)間以及音的建立過程和衰變,它們反映了樂音的瞬態(tài)特性。
語言的頻率范圍比較窄,其基音頻率在130~350 赫范圍內(nèi),但其分音以及一些非周性諧分量的頻率可達(dá)8千赫。歌聲的基頻范圍較寬,從80 赫到11 千赫。在聲音中分成五個(gè)聲部,即男低音、男中音、男高音、女低音和女高音;它們的基頻范圍分別為82~294 赫(E2 ~ D4)、110~392 赫(A2 ~ G4)、147~523 赫(D3~ C5)、196~698 赫(G3 ~ F5)和262~1047 赫(C4 ~ C6)。在樂器中管風(fēng)琴具有最寬的基音范圍,約從16赫延伸到9 千赫。其次是鋼琴,它的基音范圍為27。5~4136 赫。有些樂器,特別是打擊樂器能產(chǎn)生更高頻率的聲音,其余大部分樂器則在16~4 千赫范圍內(nèi),但是在低頻端下限實(shí)際為30 赫,更低的器樂聲是很少遇到的。民族樂器的基音范圍大約在100~2 千赫之間。因?yàn)樗械臉菲鞫家a(chǎn)生高次諧波,所以音樂中有用的頻率范圍大約可以擴(kuò)展到15 千~20 千赫。此外還應(yīng)注意,對(duì)于音樂而言幾乎所有的頻率范圍都同樣重要,重放音樂時(shí)不能抑制或忽略某些頻率范圍。對(duì)于音樂重放,一般認(rèn)為與音質(zhì)有關(guān)的頻率范圍是50~10千赫,而重要的是100~5 千赫。
由于語言和音樂的大小都是隨時(shí)變化的,為了描述語言和音樂的瞬時(shí)變化范圍,我們引入了動(dòng)態(tài)范圍這一概念。所謂動(dòng)態(tài)范圍就是指聲源發(fā)聲的最強(qiáng)值與最弱值之間的幅度差。它是聲源的重要特色之一。
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