声音的表述与传播..doc

PAGE 第 PAGE 2 页 共 NUMPAGES 20 页 声音的表述与传播 描述声波的物理量 声压 声波传播的信息实际上就是振动源处对空气的扰动，我们常用声压来描述振动源对空气的扰动，声压就是大气压受到扰动后产生的变化，即为大气压强的余压，它相当于大气压强上的叠加一个扰动引起的压强变化，如图1.1所示。在声学中常用声压这个物理量来描述声波，空气中一维波的表达式为： 图 1.1 声压的变化 图 1.1 声压的变化 （1.1） 式中：为x处的声压，Pa(N/m2)； 为声压幅值，Pa。 在量度波动信号的大小时与交流电一样，常用它的有效值(信号的方均根值RMS)来表示。声压的单位与大气压强相同，为Pa，即牛顿每平方米(N//m2)，在常温下1个大气压强为1.0325×105 Pa。 人耳对声压是非常敏感的，人耳能分辨的最低声压在1000Hz时为2×10-5 Pa，这时空气质点的振动幅度相当于氢原子的振动的数量级。两人面对面交谈时的平均声压大约为2×10-2Pa；纺织厂织布车间的噪声的声压可超过2Pa；当声压达到20Pa时，我们的耳朵就可能会有痛觉。 频率 声源每秒振动的次数称为频率，单位为Hz，量纲为T-1。在自然界产生单频声的声源很少，大多数声源的振动是一个复杂的过程，产生的大多是复合音。对于这样的声音，我们可以通过傅立叶分析将它分解成一系列不同的幅值和不同的频率成分，也就是说任何一个复合音，我们可以用一组单频声的组合来表示，这就是频谱分析，所以频率也是描述声波的一个重要物理量。 人耳听得见的声波的频率范围为20Hz～20000Hz，称为可听声范围或音频范围。低于这范围的声波称为次声，虽然我们人耳不容易听到，但是可以用仪器接收到，它在研究热带风暴、地震、核爆等方面起重要作用。高于20000Hz的声音我们人耳听不到，我们称之为超声。超声有很多应用，例如超声控伤、切割、诊断(B超)、遥控和水声中的应用等。当频率再提高，声波的波长与物质结构中的线度相当时，可以用声波来研究物质结构，这样频率的声波称为特超声。 在现代音响技术中，主要研究可听声范围内声波的传播、拾取、记录、扩声以及重放等。对于低于和高于这范围的声波，人耳虽听不到，但可以感觉到，对音质或许有一定影响，尚待进一步研究。 声速 声波在介质中传播的速度称为声速。声速与声波传播的介质有关，不同介质中声速不一样，固体、液体和气体这三者相比，在固体中最快，液体中次之，空气中最慢。声波在空气中传播是靠空气分子的运动传递扰动的，在1719年牛顿认为声音传播过程是等温过程，当时在理论上估计的声速总比实验值小。直到大约百年之后，1816年拉普拉斯提出声传播过程应是绝热过程，声速的理论值与实验值才一致。但是牛顿并不完全错，当声波的频率非常低的时候，声传播过程并不是绝热过程。 声波传播的速度空气中的压强和温度有关，它的理论值为： （1.2） 式中：为空气的比热比； 为大气静压； 为空气的密度。 温度主要影响空气的密度，在常温和常压下，一般空气中的声速大约为340m/s，如果需要精确计算，则空气中的声速为： （m/s） （1.3） 式中：是摄氏温度。 (1.3)式中没有出现压强的原因是压强的变化与压强变化引超的密度变化互相抵消，所以声速主要与温度有关。 波长 声波在传播过程中，相邻的同相位的两点之间的距离称为波长。波长与频率?和声速之间的关系为： ? （1.4） 在空气中的声波为非色散波，即不同频率的声波传播速度相同，因此频率与波长成反比，频率越低，声波波长越长。例如在常温常压下，1000Hz的声波波长为0.34m，100Hz的声波波长为3.4m。声波在传播过程中遇到障碍时，传播的特性与声波的波长和障碍物的线度有很大的关系。当障碍物的线度比波长少得多时，声波将绕过障碍物不受阻挡地“自由”传播，这种现象称为绕射或衍射。当声波的波长与障碍物的线度差不多时，将出现明显的散射现象。在声波入射方向的散射波的声强将增加，在障碍物周围不同方向散射波的声强不一样，出现指向特性。当声波遇到比波长大得多的障碍物时，声波将被反射回去，在障碍物后面将出现“声影区”。人头和躯干声波的散射作用遵循上述的一般规律，构成了双耳定位的机理。这对立体声声像位置的确定有现实意义。 声强 声波的传播实质上是介质中的扰动