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1、声学和扬声器基础知识教学大纲一、要求:掌握音频声学的基础理论和电磁机械学中与喇叭有关的基本知识,了解扬声器测试的要求和 T/S 参数的计算的原理和方法.二、文化基础要求:高中三、内容与学时安排：第一章 音频声学基础1.1 声波的产生1.2 描述声学的物理量1.3 声级,分贝及运算1.4 声波的传播特征第二章 人耳听觉特征2.1 响度与频响曲线2.2 音调与倍频音程2.3 音色2.4 波的分解,付氏解析法2.5 失真与失真察觉2.6 哈斯效应2.7 屏蔽效应第三章 电、磁、机械振动基础3.1 电学基础知识3.2 磁场与电磁感应3.3 交流电路中的电容3.4 交流电路中的电感3.5 复阻抗3.6
2、谐振电路3.7 机械振动3.8 电机类比第四章 扬声器结构与参数测试 4.1 喇叭结构,名称(磁场,间隙,短路环,音圈,锥盒,指向性,防尘帽,音架,弹波,边,磁流液)4.2 Thiele 和 Small 参数测试类比电路图4.3 扬声器阻抗曲线及其物理解释4.4 阻抗测试4.5 质量测试4.6 BL 测试,力顺测试4.7 品质因素 Q 的计算4.8 等效容积 Vas 的计算4.9 效率与灵敏度的测试4.10 扬声器基本参数及 T/S 参数汇总4.11 基于 PC 的扬声器测试信号 ,相位,clio, Sound check,Klippel, LMS.第五章 音箱,分频器的设计计算5.1 音箱的
3、设计5.2 无限平板上的喇叭负载5.3 封闭音箱中的喇叭5.4 填充物的作用5.5 倒相音箱的设计和计算5.6 分频器的种类与计算第一章 音频声学的基础1.1 波动和声波1.1.1 波动的数学描述振动产生波，如绳子的振动能量以波的形式传播。常用绳子多点的位移来描述绳子波的传动，一个波动可用正弦函数来表示。正弦函数：y = A sin A 为最大振辐 （m） 为角度 (相位角)。在 x-y 坐标系里，若 x 代表角度，y 代表振幅，画出的波形图叫正弦曲线。一般在电学、声学里，角度都用弧度表示：2=360 度，/2 = 90 度。有时，x 轴取为时间，y 轴为振幅，则可表示振幅随时间的变化，这时，
4、正弦函数要写成：y = A sin(t) 叫角频率 = 2/TT 为振动一次所需的时间，又叫周期。当 t = T, t = 2; 当 t = T/2, t = , 当 t = T/4, t = /2 所以 t 就相当角度。T 的倒数，1/T = f, 叫频率，表示单位时间(1 秒)震动的次数。有时， x 轴取为距离，y 轴为振幅，则可表示振幅随距离的变化，这时，正弦函数要写成：y = A sin(x) 叫角频率 = 2/ 为振动一次所的长度，又叫波长。x 就相当角度。在使用表达式 y = A sin(t) 的时候，往往碰到在 t = 0 时振幅不为 0 的情况，这时，要把表达式改写成 y =
5、A sin(t + )， 角可正，可负。也常把它称为相位角。周期 T, 波长 和频率 f , 它们之间的关系是： f=1/T, （波速） C =/T =f = C / f 如： 1Hz 声波 波长为 344m10Hz 声波 波长为 34.4m100 Hz 声波 波长为 3.44m 1000Hz 声波 波长为 0.344m1.1.2 声波的形成(波的形成和传播)横波:振动方向与传播方向垂直纵波:振动方向与传播方向平行声波是一种纵波例如，受活塞作用,空气密度增加,压力加大,增大的压力在管内传播,就形成波动,在声波传输的介质里的某固定点，压力随时间的变化可写成: P = P0 sin(t + )P0
6、 代表空气密度增加时，气压的最大增量。1.2 描述声波的物理量1.2.1 声压 Sound Pressure声波的传播就是大气压增压在弹性介质(空气)中的传播。P = P0 sin(t + )P0 为声压振辐 ，单位是帕斯卡 Pa (N / m2)一个大气压为 1.0325*105 Pa 即 1000 hPa。与交流电一样,常用有效值（RMS ） （Root-Mean-Square）表示声压. 如果声波的最大振幅为 P0 ， Prms = 0.707 P0, 即 2/2 P0以后我们提到声压如无特殊说明,都是指声压有效值.人耳能分辨的最低声压为20 Pa (当频率为 1000Hz 时)两人面对
7、面交谈声压为 2*10-2 Pa 织布车间噪声声压为 2Pa 20Pa 时,人耳有痛觉最低声压 20Pa 是由弗来彻和芒森确定的(1000 Hz),500 Hz 时,还要低,当频率超过 1000 Hz 时,灵敏度会提高,最灵敏的频率是 3.5K Hz1.2.2 频率 f声源每秒振动的次数称频率,单位是 Hz,声音的频率可听范围是 20Hz - 20kHz20000Hz 为超声1.2.3 声速声音可在不同介质中传播。固、液、空气，速度在不同介质中不同。速度: 固体 液体 气体在空气中,声速 c = 331.6 + 0.6t (m/s), 此处 t 指环境温度。可见 15 度时,c 为 340 m
8、/s 左右.声速与空气质点运动速度是不同的概念，大声说话时，声压为 0.1Pa, 质点的运动速度是 p/( 0 C0 ) 为 2.5*10-4 m/s . 空气的 0 C0 为 415 N.S/m3 ,1.2.4 波长声波在传播过程中,相邻的同位相之间的距离为波长。C, f, 的关系为:C=*f 空气中声音是非色散波(不同频率波速相等),因此,频率与波长成反比,频率低的波长长. 1000Hz 波长 0.34 m100Hz 波长 3.4 m10Hz 波长 34 m1Hz 波长 340 m不同波长传播时会发生不同物理现象.当遇到障碍物时,障碍物线度比波长小,会有绕射发生,声波可自由传播.当障碍物与
9、波长相当时,发生散射,在声波入射方向散射波声强增加.其他方向减弱,出现指向性.当障碍物线度 波长,声音被反射回去,障碍物后出现声影区.1.2.5 声强声音的传播是空气质量在平衡位置附近来回振动的能量(动能和势能)的传播.常用声强来定量描述声能的传播.定义:单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的平均能量 .用 I 表示，单位：W/m2.(N*s/ m2)I 是矢量,有大小和方向.I 与声压的关系:I = P2/( 0 C0) 0 是声传波媒体的密度，空气密度为： 0 =1.21 kg/ m3 （在 20 度时）C0 是声传波的速度, 当温度为 20 度，C 0 为 344m/s. 0 C0 在声
10、学里是一个非常重要的概念,称为媒体的特性阻抗，当温度为20 度，C 0 为 344m/s, 0 =1.21 kg/ m3, 空气的 0 C0 为 415 N/s.m2对水来说，密度为 1000kg/m3, 声速为 1480m/s, 0 C0 为 1.48*106 N/s.m2声波碰到特性阻抗不同的媒体的界面，会发生反射。一个球面的震动体(喇叭可近似看成球面一部分)在向外辐射声音时,会受到声音的反作用力,称为辐射阻抗,它可写成:R = 0 C0*S, 此处 S 是辐射面的面积, 这在以后当讨论压缩驱动器 (Compression Driver) 时要涉及到.1.2.6 声功率声源在单位时间内辐射
11、的总的声能量叫声源辐射功率（即声功率）,单位W。声功率很小,人讲话 20W , 扬声器由电功率转换为声功率,效率仅为千分之几。若一点声源在自由空间辐射声波,与点声源距 r 的球面上,声强 I 都相同。则 W=I*4r 2 1.3 声级、分贝及运算人耳感受到的声压,从 20Pa 一直到有痛感的 20Pa,跨越了 106 倍,即 100 万倍。人耳的“感觉响度”与强度，或声压有关。听觉响了一倍，实际上强度大了十倍，所以更接近于与强度的对数成正比。因此在声学中,常用对数坐标来表示声压，声强和声功率。复习-对数，对数是指数的逆运算。y = ax logay = x （称为：x 是 y 以 a 为底的对
12、数）以 10 为底的对数叫常用对数，以 e=2.73.为底的叫自然对数。100 = 102 log 10100 = 2对数运算法则：log(a*b) = log a + log b例如：log 2*100 = log2 + log 100 = 0.3010+2 = 2.3010log a/b = log a log b例如：log 1000/100 = log 1000 log 100= 3 2 = 1log Ax = x* log A例如：log 100 2 = 2* log100 = 4log 1 = 0 因为 A0 = 1 log 1/100 = log 1 log 100= 0-2 =
13、 -2 对数尺度：把某一量取对数以后标在线性尺度上叫对数尺度 logarithmic scale.1 2 3 4 5 610 100 1000 10000 1000001.3.1 分贝上世纪初，贝尔 （Bell）发明电话，当信号经过放大器，信号功率增加 /减少的对数就是贝尔，Bel. Bel.无单位，如输入 1W，放大后为 2W.Bel = log(2w/1w)=0.301031/10 贝尔定义为分贝，decibel(dB)。所以,增加了一倍,即增加了 10*lg(2/1)=3.0103 dB,即增加了 3 分贝.没有增益 10*lg(1/1) = 0 dB.若不是增加,而是减少了为原来的一半
14、,10lg(0.5/1) = 10 lg(1/2) = 10*(0-0.3) = 10 *-0.3 = -3 dB三个重要的数字:+3 dB =2*.+10 dB =10*.0 dB =1*.所以,若 0 dB 1W 3 dB 2W 6dB 4W 9dB 8W 10dB 10W 12dB 16W20dB 100W 30dB 1000W 33dB 2000W-10dB 0.1W, -2OdB 0,01W -30 dB 0.001W（即：每增加三个 dB，则输出增加为输入的 2 倍。1.3.2 声压级. Sound pressure level.(SPL)声压级定义：声压的有效值 P 与基准声压
15、P0 之比取 10 为底的对数再乘以20。即 Lp = 20*lg(P/P0)(dB)P0=20Pa=2*10 -5 Pa例如,喇叭 A 比喇叭 B 声压大了一倍,问声压级提高了多少分贝 ?Lp = 20 lg( Pa/Pb) = 20* lg 2 = 6 dB.计算声压级的时候，要乘 20，是因为声功率与声压的平方成正比。即声压增大一倍（为原来的二倍） ，声功率为原来的四倍（就像电压增大为原来的二倍，电功率为原来的 4 倍） 。例 1：喇叭测试信号电压的峰值因子为 6dB,问峰值时功率为平时的多少倍？电压的峰值因子为 6Db（相当于电压级为 6dB） ，说明峰值电压比有效值大一倍，所以电功率为有效值的 4 倍。例 2：用 Clio 测谐振频率，3 阶谐振频响曲线在提高了 30 分贝以后，在大于200Hz 以后与
