聲學原理
作者：聲學小編 來源： 日期：2014-10-23 11:32 人氣：
聲波是由物體振動產生的，當振動在一定的頻率和強度范圍內時，人耳就可聽到。振動發聲的物體稱為聲源。
聲源發聲后要經過一定的介質才能向外傳播，而聲波是依靠介質的質點振動而向外傳播聲能，介質的質點只是振動而不移動，所以聲音是一種波動。波是振動的傳播是振動狀態的傳播，即振動方向、振動位相或振動能量的傳播。波的傳播并不是介質或物理量本身的向前運動。即聲源的質點并不隨聲波前進，他只在原地運動，傳遞出的只是質點的運動狀態。 由上所述，聲音為一串串稀疏稠密交替變化的波，而疏和密就是空氣壓強的變化，再通過人的耳膜對空氣壓力的反映傳入大腦，從而聽到聲音。聲波是描述聲音的物理現象，常用波形表示。聲波具有一切“波”的性質。所以產生聲音的必要條件有兩個：1、必須要有振動體或振動源。2、聲波的傳遞必須依靠傳播媒介。聲波傳播的空間稱為聲場。氣體中的聲波屬于縱波，即波的前進方向與媒質質點的振動方向在一條直線上。同一時刻，同位相的振動傳播到達點的集合叫做波陣面。波陣面是平面的波叫平面波，波陣面是球面的波叫球面波。 一般情況下，平面振動發出的波是平面波，點源振動發出的波是球面波。
人耳的聽音范圍是20Hz~20KHz。低于20Hz叫次聲波，高于20KHz的叫超聲波。 聲波在振動一個周期內傳播的距離叫做波長。用λ表示 聲波一秒鐘傳播的距離叫“波速”用c表示 聲波一秒鐘振動的次數叫“頻率”用 f表示 它們之間的關系：λ=c/f
相位：說明其聲波在周期運動中所達到的精確位置，通常用圓周的度數來表示。
振動頻率、振幅和傳播速度相同而傳播方向相反的兩列波疊加合時，就產生駐波。駐波形成時，空間各處的介質或物理量只在原位置附近作振動，波停駐不前，而沒有行波的感覺，所以稱為駐波。
聲波在傳輸過程中具有相互干涉作用。兩個頻率相同、振動方向相同且步調一致的聲源發出的聲波相互疊加時就會出現干涉現象。如果它們的相位相同，兩波疊加后幅度增加聲壓加強；反之，它們的相位相反，兩波疊加后幅度減小聲壓減弱，如果兩波幅度一樣，將完全抵消。由于聲波的干涉作用，常使空間的聲場出現固定的分布，形成波峰和波谷（從頻響曲線上看似梳狀濾波器的效果）。對于一般的節目素材，只要幾個峰和谷產生于每個1／3倍頻程的頻帶內，那么這種梳狀濾波器的影響并不特別明顯。人耳的臨界頻帶寬度是非常接近1／3倍頻程的。
在廳堂內擴聲時由于墻壁的反射也會出現聲波的干涉現象。如果是純音（正弦波）信號，這種干涉現象必然會引起空間聲場的很大差異，即：有的地方聲波會加強、有的地方聲波會減弱甚至完全抵消，成為“死點”（聽不到聲音）。好在語言和音樂不是正弦波而是復雜的波形，這種復雜的波形用傅立葉級數展開是多個不同頻率、不同幅度的正弦波。所以有“此起彼落”“填平補齊”的效果，使干涉效應不太明顯。但是！由于不同的頻率信號所產生的干涉效果不同，某些頻率信號加強，另一些頻率信號減弱，所以常常導致房間傳輸特性不均勻。 房間共振可以用波動聲學的駐波原理加以說明。簡單地說，駐波是駐定的聲壓起伏，由兩列在相反方向上傳播的同頻率、同振幅的聲波相互疊加而形成。當聲源持續發聲時，在兩平行墻之間、始終維持駐波狀態，即產生軸向共振，其共振頻率為：f=nc/2L，在矩形房間的三對平行表面間，只要其距離為半波長的整數倍，就可產生相應方向上的軸向共振。在矩形房間中，除了上述三個方向的軸向駐波外，聲波還可在兩維空間內產生駐波，稱切向駐波；同樣，還會出現三維的斜向駐波。
聲波存在的空間叫做聲場。被研究的聲場有擴散聲場，即聲源向四方傳播，沒有反射。這種能使室內任一位置上的聲波可以沿所有方向傳播的聲場稱為擴散聲場。這里所說的："擴散"，具有明確的．物理意義。嚴格意義上的擴散聲場必須滿足以下三個條件：(1)室內的聲能密度均勻，即聲能密度處處相等；(2)聲能在室內各個方向傳遞的幾率相等；(3)從室內各個方向到達任一點的聲波，其相位是無規的。在這樣的聲場中，聲波無論在空間位置上，還是在傳播方向上都不會一成不變地"聚集"在一起，而是隨著傳播過程的進行逐漸擴展，并分散開來，直至充滿全部空間并遍及所有方向。
惠更斯原理波所到達的每一點，都可以看作新的波源，從這些行的波源發出次波來，新的渡陣面就是這些次波的包跡。 包跡亦叫包絡線，次波的包跡就是包住這些次波的軌跡線。% q4 a+ f: X3 V2 F3 u+ z0 F 在各向同性的均勻介質中傳播的波，根據惠更斯原理求出的波陣面的幾何形狀是不變的，即平面波還是平面波，球面波還是球面波，這是因為在各個方向上波的傳播速度是不變的。在非均勻介質中，波的傳播速度要改變，因此根據惠更斯原理得出的波陣面形狀就會發生變化，亦即波的傳播方向會發生變化。這是符合實際情況的。" i' M8 W4 @9 Z6 W x 波在傳播過程中遇到障礙物時，傳播方向要發生變化，發生繞過障礙物的衍射現象，也叫繞射現象，聲波的頻率越低，繞射的現象越明顯。
聲源的指向性己寸比聲波波長小得多時，可看成是“點聲源"。它向所有方向等量地輻射聲音，所以是沒有方向性的。當聲源的尺度與聲波波長相差不多，或大于波長時，就不能看成是點聲源了，而應看成是許多點聲源的組合，因而向各方向輻射的聲音能量就不同了，即具有指向性。與波長相比，聲源尺度越大，其指向性就越強。頻率越高指向性越強，而指向性越強，則直達聲越集中在聲源輻射的軸線附近。在與發聲者距離相同的前后位置，對于高頻語言聲，其響度可相差一倍以上。所以，在堂形體設計及揚聲器布置時，均需考慮到聲源的指向性。
當波源與波的接收者之間以一定速度作相對運動時，接收者所接收到的頻率(或波長)，這就是多普勒效應。當波源與波的接收者之間做相向運動即相互靠近時，接收者接收到的頻率就會升高；當波源與接收者之間做反向運動即相互遠離時，接收者接收到的頻率就會變低。聽疾駛而來的火車鳴笛聲，先是升高，然而當火車掠身而過再向后駛去時，笛聲又降低。 聲學的基本概念 一般的聲波都不是純粹的正弦波，所有的周期振動都可以分解成各種頻率、振幅和位相的正弦波，看成是它們的疊加。我們把頻率最低的叫做基頻 (Foundamental Frequency)，其倍頻叫做諧波(Harmonics)或泛音(Over Tone)。+ H0 g/ N% y/ W" c( U 人們之所以能夠聽到聲音，是由于聲波振動引起的，并通過傳聲媒質（如：空氣、水、混凝土等彈性物質）傳播進入人耳。在反射聲中較早到達人耳的聲波較強，這個較強的反射波稱之為早期反射聲，在此之后的反射聲的總和稱為混響聲。% J# M9 w2 k* q% o+ | 從聲源或振動源不經過任何反射直接傳入人耳的叫“直達聲”，它的傳播時間和路程最短，直達聲最接近于原始聲音，最清晰。聲音通過物體反射傳入人耳的叫“反射聲“。人的雙耳距離大約有15~17厘米，這個距離使人耳具有非常準確的判斷聲源位置的特性。比如說：聲音從左方首先進入左耳，右耳聽到的聲音比左耳晚一些其時間差=雙耳距離/聲速，為0.44~0.5mS。這個時間差使聽音者感覺聲音來自左方。所以直達聲對判別聲源的位置起決定性作用。因此人們在欣賞音樂時具有立體感和空間感。
早期反射聲是在室內聲場的反射聲中較早到達人耳的聲波較強，這個較強的反射波稱之為早期反射聲。早期反射聲可以加強直達聲，展寬聲源。早期反射聲時間的長短，可以使人感覺聲場的大小。以室內聲場的聲能密度衰減到原始值的百萬分之一時所經過的時間進行量度，稱為混響時間。因此，混響時間可定義為室內聲音已達到穩態后停止聲源發聲，平均聲能密度自原始值衰減60分貝所需的時間，并用T60或RT表示。 塞賓公式：T60=0.161V/Sa V--房間容積 S--室內總表面積 a--室內平均吸聲系數 伊林公式：T60=0.161V/-Sln(1-a)+4mV 4m--空氣衰減系數 伊林公式不僅考慮了室內表面的吸聲，且考慮；際上．當房間較大時，空氣對頻率較高的聲音 (2kHz以上)也有較大的吸收。這種吸收主要取決于空氣的相對濕度和溫度的影響。
聲波存在的空間叫做聲場。被研究的聲場有擴散聲場，即聲源向四方傳播，沒有反射。這種能使室內任一位置上的聲波可以沿所有方向傳播的聲場稱為擴散聲場。這里所說的："擴散"，具有明確的．物理意義。嚴格意義上的擴散聲場必須滿足以下三個條件：(1)室內的聲能密度均勻，即聲能密度處處相等；(2)聲能在室內各個方向傳遞的幾率相等；(3)從室內各個方向到達任一點的聲波，其相位是無規的。在這樣的聲場中，聲波無論在空間位置上，還是在傳播方向上都不會一成不變地"聚集"在一起，而是隨著傳播過程的進行逐漸擴展，并分散開來，直至充滿全部空間并遍及所有方向。
自由聲場：媒介是均勻的，各向同性，并足夠大，以致于邊界影響忽略不計，沒有任何障礙物的聲場0 j$ @% M- T4 l 在一般情況下，擴散聲場的條件是難以滿足的，但在一定條件下，把不規則的大房間中的聲場近似地作為擴散聲場處理，所得的結果與實際情況相差不大。然而，如果房間的形狀簡單而規則，情況則不然。這時在室內就可能出現聲場的嚴重"不擴散"狀況，聲波就可能在某些位置或某些方向上特別加強，而在另一些位置或方向上特別削弱。例如在圓形大廳中，聲波將聚集在大廳中部；在正方形房間中，沿某些方向的駐波將較強等等。為了盡可能在室內形成擴散聲場，應避免采用凹形壁面，而凸面反射體的正確使用，則是使室內聲場趨向擴散的一種有效方法。這種能夠促進聲場擴散的反射體通常稱為聲擴散體。
聲波傳播中的衰減與聲波傳播的距離有關，聲波原來具有的能量越多，傳播的距離越大，那吸收的聲能量也就越多，聲強的改變相應越大。聲強變化的大小與聲強及傳播距離成正此關系。聲強按指數函數規律隨距離增加而衰減。聲壓也是按指數函數的規律隨距離衰，不過比聲強的衰減要緩慢。聲源發出的聲能無阻擋的向遠處傳播，接收點的聲能密度與聲源距離每增加1倍衰減6dB。與空氣的吸收有關，聲音是在室外長距離傳播時，地面之上的溫度差 (梯度)將會影響聲音的傳播，聲音的折射是指聲音傳播方向的變化，這是由于其速度會因溫度的提高而稍微加快。干燥空氣比濕的空氣對聲音的衰減要大一些。這種影響只是在2kHz以上時十分明顯。這就是說隨著距離的增加，高頻的衰減要此低頻的大一些，并且當相對濕度在20％或稍低時衰減量是最大的，既空氣溫度升高或濕度增大時，衰減系數相應降低。與聲音的頻率有例如，頻率為400Hz和8kHz的平面波，在空氣中傳播1000rn后，從聲壓級降低的數值中發現頻率較低的聲波衰減不大，而對于高頻率、遠距離傳輸的信號，衰減是相當可觀的。在聲源近處，由于聲波的逸散而產生的衰減量占主要地位；在聲源遠處，由聲吸收產生的衰減量將轉化為主要因素。與使用的吸聲材料的吸聲系數有關，一些松散的多孔材料或內部自身摩擦很大的阻尼材料，會強烈地吸收聲波。與聲能量的轉換有關，既間內某一物體時損聲波每次撞擊某一邊界表面或房間內某一物體時損失了多少聲能。 聲波的傳播,聲的繞射、反射和折射，聲波的獨立傳播定律& f; j U" i2 h& ~ o1 c 機械波在均勻介質中傳播時，傳播方向不會改變；機械波在非均勻介．一種介質傳播到另一種介質的界而時，會發生反射或折射，即一部分反射，一部分透射，一部分被吸收，當波在傳播中遇到障礙時，會發生繞過障礙的現象，聲波就是這樣的。
惠更斯原理波所到達的每一點，都可以看作新的波源，從這些行的波源發出次波來，新的渡陣面就是這些次波的包跡。 包跡亦叫包絡線，次波的包跡就是包住這些次波的軌跡線。% q4 a+ f: X3 V2 F3 u+ z0 F 在各向同性的均勻介質中傳播的波，根據惠更斯原理求出的波陣面的幾何形狀是不變的，即平面波還是平面波，球面波還是球面波，這是因為在各個方向上波的傳播速度是不變的。在非均勻介質中，波的傳播速度要改變，因此根據惠更斯原理得出的波陣面形狀就會發生變化，亦即波的傳播方向會發生變化。這是符合實際情況的。" i' M8 W4 @9 Z6 W x 波在傳播過程中遇到障礙物時，傳播方向要發生變化，發生繞過障礙物的衍射現象，也叫繞射現象，聲波的頻率越低，繞射的現象越明顯。
1．聲波的鏡像 反射聲波在前進過程中，如果遇到尺寸大于波長的界面，則聲波將被反射。這以用鏡像反射定律來說明：入射聲線。反射聲線和界面的法線在入射聲線和反射聲線分居法線兩側同一平面內入射聲線和反射聲線分居法線兩側，入射角等于反射角。反射的聲能與界面的吸聲系數有關。$ w. u8 T0 ?+ |# k" g$ M 。
2．聲波的擴散反射 聲波在傳播的過程中，如果遇到一些凸形的界面，就會被分解成許多較小的反射聲波，并且使傳播的立體角擴大，這種現象稱之反射。適當的聲波擴散反射，可以促進聲音分布均勻，并可防止一些聲學缺陷的出現。但是，這些表面的凸出和粗糙不平處，最小需要達到聲波波長的1／7時才能起到擴散作用。擴散反射可分為完全擴散反射和部分擴散反射兩種。前者是將入面八方反射，即反射的方向分布完全與入射方向無關，后者是指反射同時具有鏡像和擴散兩種性質，即部分作鏡像反射，部分作擴散反射。在室內聲學中大多數的情況都是部分擴散反射。
聲源的指向性己寸比聲波波長小得多時，可看成是“點聲源"。它向所有方向等量地輻射聲音，所以是沒有方向性的。當聲源的尺度與聲波波長相差不多，或大于波長時，就不能看成是點聲源了，而應看成是許多點聲源的組合，因而向各方向輻射的聲音能量就不同了，即具有指向性。與波長相比，聲源尺度越大，其指向性就越強。頻率越高指向性越強，而指向性越強，則直達聲越集中在聲源輻射的軸線附近。在與發聲者距離相同的前后位置，對于高頻語言聲，其響度可相差一倍以上。所以，在堂形體設計及揚聲器布置時，均需考慮到聲源的指向性。
