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音频声学简介 AACAAC声波的概念声波的概念 所谓声波，实质上就是振动在介质（如空气、水所谓声波，实质上就是振动在介质（如空气、水等）中的传播。我们研究在一根无限长均匀管的一端，等）中的传播。我们研究在一根无限长均匀管的一端，安装一个平面活塞，此活塞在一个周期力的作用下来安装一个平面活塞，此活塞在一个周期力的作用下来回运动的情况。回运动的情况。AACAAC 当活塞来回运动时，将带动管中紧贴活当活塞来回运动时，将带动管中紧贴活塞的空气层质点产生运动。当活塞向右运动塞的空气层质点产生运动。当活塞向右运动时，使空气层质点产生压缩，空气层的密度时，使空气层质点产生压缩，空气层的密度增加，压强增大，使空气层处于增加，压强增大，使空气层处于“稠密稠密”状状态；活塞向左运动时，则空气层质点膨胀，态；活塞向左运动时，则空气层质点膨胀，空气层的密度将减小，压强亦将减小，使空空气层的密度将减小，压强亦将减小，使空气层处于气层处于“稀疏稀疏”状态。活塞不断地来回运状态。活塞不断地来回运动，将使空气层交替地产生疏密的变化。由动，将使空气层交替地产生疏密的变化。由于空气分子之间的相互作用，这种交替的疏于空气分子之间的相互作用，这种交替的疏密状态，将由近及远地沿管子向右传播。这密状态，将由近及远地沿管子向右传播。这种疏密状态的传播，就形成了声波。种疏密状态的传播，就形成了声波。声波的概念声波的概念声波的概念声波的概念AACAAC描述声波的物理量描述声波的物理量一、声压一、声压大气静止时的压强即为大气压强。当有声大气静止时的压强即为大气压强。当有声波存在时，局部空气产生稠密或稀疏。在稠波存在时，局部空气产生稠密或稀疏。在稠密的地方，压强将增加，在稀疏的地方压强密的地方，压强将增加，在稀疏的地方压强将减小；这样，就在原有的大气压上又附加将减小；这样，就在原有的大气压上又附加了一个压强的起伏。这个压强的起伏是由于了一个压强的起伏。这个压强的起伏是由于声波的作用而引起的，所以称它为声压；用声波的作用而引起的，所以称它为声压；用表示。声压的大小与物体（如前述的活塞）表示。声压的大小与物体（如前述的活塞）的振动状态有关；物体振动的振幅愈大、则的振动状态有关；物体振动的振幅愈大、则压强的起伏也愈大，声压也就愈大。然而，压强的起伏也愈大，声压也就愈大。然而，声压与大气压强相比，是及其微弱的。声压与大气压强相比，是及其微弱的。AACAAC2.1 2.1 声压声压 存在声压的空间，称为声场。声场中某一瞬时的声压值，存在声压的空间，称为声场。声场中某一瞬时的声压值，称为瞬时声压。在一定的时间间隔中最大的瞬时声压值，称为瞬时声压。在一定的时间间隔中最大的瞬时声压值，称为峰值声压。如果，声压随时间的变化是按简谐规律的，称为峰值声压。如果，声压随时间的变化是按简谐规律的，则峰值声压就是声压的振幅。瞬时声压对时间取方均根值，则峰值声压就是声压的振幅。瞬时声压对时间取方均根值，即即 称为声压的有效值或有效声压。称为声压的有效值或有效声压。T T为取平均的时间间隔。它可为取平均的时间间隔。它可以是一个周期或比周期大得多的时间间隔。一般我们用电子仪器以是一个周期或比周期大得多的时间间隔。一般我们用电子仪器所测得的声压值，就是声压的有效值；而人们习惯上所指的声压所测得的声压值，就是声压的有效值；而人们习惯上所指的声压值，也是声压的有效值。值，也是声压的有效值。AACAAC2.1 2.1 声压声压 声压的大小，表示了声波的强弱。目前国际上采用帕（）声压的大小，表示了声波的强弱。目前国际上采用帕（）作为声压的单位。以往也用微巴作为单位，它们的换算关作为声压的单位。以往也用微巴作为单位，它们的换算关系为；系为；帕牛顿帕牛顿/米米（制）（制）微巴达因微巴达因/厘米厘米 制）制）微巴帕微巴帕大气压大气压1.0325101.0325105 5 PaPa（常温下）（常温下）为了对声压的大小数值，有一个感性的了解，在表一中为了对声压的大小数值，有一个感性的了解，在表一中列出了几种声源所发出的声音的声压的大小。列出了几种声源所发出的声音的声压的大小。AACAAC2.1 2.1 声压声压 声源名称声源名称声压（声压（Pa）声压级（声压级（B）正常人耳能听到的最弱声音正常人耳能听到的最弱声音210-5郊区静夜郊区静夜210-4耳语耳语210-3相隔米处讲话相隔米处讲话210-2高声讲话高声讲话0.2织布车间织布车间2柴油机柴油机20喷气机起飞喷气机起飞200导弹发射导弹发射2 000核爆炸核爆炸20 000AACAAC2.2 2.2 频率频率 二、频率二、频率二、频率二、频率声源（如上述的活塞）每秒振动的次数称为声波的声源（如上述的活塞）每秒振动的次数称为声波的频率，并用字母表示，其单位为频率，并用字母表示，其单位为赫兹（赫兹（H H）/秒秒。虽然在自然界中能产生单频率的声源很少，大多数声虽然在自然界中能产生单频率的声源很少，大多数声源的振动是一个很复杂的过程，产生的大多为复合音。源的振动是一个很复杂的过程，产生的大多为复合音。但是，我们可以用频谱分析的方法，把一个复合音分但是，我们可以用频谱分析的方法，把一个复合音分解为一系列幅值不同的单频声的组合。因此研究单频解为一系列幅值不同的单频声的组合。因此研究单频声具有基础性的意义，而频率则是描述单频声的一个声具有基础性的意义，而频率则是描述单频声的一个重要物理量。重要物理量。频率的倒数则称为周期。单位为秒。频率的倒数则称为周期。单位为秒。AACAAC2.3 2.3 声速声速声速声速三、声速三、声速三、声速三、声速声波在介质中传播的速度称为声速，单位为米声波在介质中传播的速度称为声速，单位为米/秒。声速秒。声速的大小，与声波藉以传播的介质有关。不同的介质声速不的大小，与声波藉以传播的介质有关。不同的介质声速不同。固体介质、液体介质和气体介质三者之中，固体介质同。固体介质、液体介质和气体介质三者之中，固体介质中的声速最大，液体次之，气体最小。即使在空气介质中，中的声速最大，液体次之，气体最小。即使在空气介质中，声速还与空气的压强和温度有关。在理论上，有声速还与空气的压强和温度有关。在理论上，有c 为声波在空气中的传播速度；为空气的比热比，且=1.402；P0 为大气静压强，且 P0=1.01310 5 Pa （）；为空气密度,且 =1.293Kg/m3 （）AACAAC2.3 2.3 声速声速声速声速 因此，可算得因此，可算得C C=331.6=331.6/（）上式表示的是温度为上式表示的是温度为，空气中的声速。如，空气中的声速。如果温度改变了，则声速的值也就不同。对于空气，果温度改变了，则声速的值也就不同。对于空气，可按下式算得不同温度下的声速：可按下式算得不同温度下的声速：C(tC(t)=331.6+0.6t )=331.6+0.6t m/sm/s由上式即可算得常温（由上式即可算得常温（2020）下空气中的声速为）下空气中的声速为:C(20C(20)=344 )=344 m/sm/sAACAAC2.4 2.4 波长波长波长波长 声波在传播过程中相邻的同相位的两点之间（如相邻声波在传播过程中相邻的同相位的两点之间（如相邻的两稠密或两稀疏之间）的距离称为波长，用字母的两稠密或两稀疏之间）的距离称为波长，用字母 表示，单位为米。波长与频率及声速之间，有如表示，单位为米。波长与频率及声速之间，有如下关系：下关系：在空气中，不同频率的声波，具有相同的传播速度；在空气中，不同频率的声波，具有相同的传播速度；因此，上式的关系对于空气中传播的任何频率的声波，因此，上式的关系对于空气中传播的任何频率的声波，都是正确的。例如在常温常压下，都是正确的。例如在常温常压下，1000H1000H的声波波的声波波长为长为0.3440.344米；米；100H100H的声波波长为的声波波长为3.443.44米等等。米等等。AACAAC2.5 2.5 声强声强声强声强 五、声强五、声强五、声强五、声强前已指出，声波实质上是振动在介质中的传播。声振动包前已指出，声波实质上是振动在介质中的传播。声振动包括两个方面；一方面使介质质点在平衡位置附近来回振动；另括两个方面；一方面使介质质点在平衡位置附近来回振动；另一方面又使介质产生疏密的过程。前者使介质具有振动动能，一方面又使介质产生疏密的过程。前者使介质具有振动动能，后者使介质具有形变势能；而此两者的和，就是介质所具有的后者使介质具有形变势能；而此两者的和，就是介质所具有的声能量。因此，声波的传播也可以说是声能量的传递。声能量。因此，声波的传播也可以说是声能量的传递。在单位时间内，通过垂直于声传播方向的单位面积的平均在单位时间内，通过垂直于声传播方向的单位面积的平均能量，称为声强，用字母能量，称为声强，用字母I I表示，单位为瓦表示，单位为瓦/米米。应当指出，声强是一个有大小和方向的物理量，即是一个矢量，应当指出，声强是一个有大小和方向的物理量，即是一个矢量，它表示着声音传播的方向和强度。它表示着声音传播的方向和强度。AACAAC2.5 2.5 声强声强声强声强 对于平面波和球面波，在声波的传播方向上，声强与声压的关系为：对于平面波和球面波，在声波的传播方向上，声强与声压的关系为：其中；其中；为大气密度；且，为大气密度；且，=1.21Kg/m=1.21Kg/m3 3（常温常压下）（常温常压下）为声波空气中的传播速度；且为声波空气中的传播速度；且344344/（常温常压下）（常温常压下）AACAAC2.6 2.6 声功率声功率声功率声功率 六、声功率六、声功率六、声功率六、声功率声源在单位时间内所辐射的总的声能量，称为声源辐射功率，简称声功声源在单位时间内所辐射的总的声能量，称为声源辐射功率，简称声功率。通常用字母率。通常用字母WW表示，单位为瓦（表示，单位为瓦（WW）。）。如果一个点声源，在自由空间辐射声波（此情况下辐射无指向性），如果一个点声源，在自由空间辐射声波（此情况下辐射无指向性），则在与声源等距离的球面上，任何一点的声强，都是相同的；且与声源声则在与声源等距离的球面上，任何一点的声强，都是相同的；且与声源声功率之间，有如下关系：功率之间，有如下关系：式中：式中：WW 为声源的声功率（为声源的声功率（WW）；）；I I 为声强（为声强（W/W/）；）；r r为离声源的距离（）；为离声源的距离（）；输出声功率的大小，是扬声器的重要指标之一，因为由它可以输出声功率的大小，是扬声器的重要指标之一，因为由它可以决定扬声器的电声效率。决定扬声器的电声效率。AACAAC级和分贝级和分贝前前已已指指出出，自自然然界界可可能能出出现现的的各各种种声声源源中中，其其声声压压大大小小的的范范围围是是很很大大的的，大大小小之之间间可可以以相相差差上上亿亿倍倍。变变化化范范围围这这么么大大的的声声压压，用用线线性性标标度度表表示示是是很很不不方方便便的的。特特别别是是人人耳耳对对声声音音大大小小的的感感觉觉并并不不正正比比于于声声压压或或声声强强的的大大小小，而而近近似似地地正正比比于于声声压压或或声声强强的的对对数数值值。基基于于这这两两方方面面的的原原因因，在在声声学学中中普普遍遍采采用用对对数数标标度度来来度度量量声压、声强、声功率等。声压、声强、声功率等。因因为为对对数数的的宗宗量量是是一一个个无无量量纲纲的的量量，所所以以通通常常把把一一个个物物理理量量的的两两个个数数值值之之比比的的对对数数，称称为为这这个个物物理理量量的的“级级”，那那个个被被比比的的量量则则称称为为参参考考量量。有有时时又又觉觉得得取取对对数数后后的的数数值值过过小小，而而不不方方便便，往往往往再再乘乘以以1010倍倍来定级，并以来定级，并以“分贝分贝”表示。表示。AACAAC3.1 3.1 声功率级（声功率级（声功率级（声功率级（SWLSWL）(B)B)(W)(W)3.2 3.2 声强级（声强级（声强级（声强级（SILSIL）(B)B)(W/m(W/m2 2)AACAAC3.3 3.3 声压级（声压级（声压级（声压级（SPLSPL）声压级用符号声压级用符号 L LP P 表示，其定义是：把某声压表示，其定义是：把某声压P P （有效（有效值）与参考声压值）与参考声压 P P 0 0的比值，取以的比值，取以1010为底的对数，再乘以为底的对数，再乘以2020，结果以分贝表示。即，结果以分贝表示。即 其中其中 P P 0 0=210=210-5-5 P P a a 即以人耳刚能觉察的声压值作为参考值，显然，人耳即以人耳刚能觉察的声压值作为参考值，显然，人耳刚能觉察的声压级为刚能觉察的声压级为B.B.表一所列各种声源所对应的声表一所列各种声源所对应的声压级，如表中第三列所示。由此可见，采用对数标度后，压级，如表中第三列所示。由此可见，采用对数标度后，表一中所列各声源的声压级在表一中所列各声源的声压级在0 0180180B B之间。之间。声压每增加一倍，其声压级增加声压每增加一倍，其声压级增加B B；声压每增加；声压每增加1010倍，声压级增加倍，声压级增加2020B.B.(B)B)AACAAC