音频技术

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1、第一章第一章 声学基础声学基础 第一节第一节 声音的基本性质声音的基本性质 1.1.1 声音的产生与传播 振动的物体（声源）使空气疏密地振动，产生声波经过一定的（媒质）向外传播，产 生了声音。 区别：球面波和平面波；纵波（平行）和横波（垂直） ；波的传播方向和质点振动方向。 1.1.2 频率、声速、波长 2.声速：含义；符号 c；单位米/秒（m/s） ；和质点振速的区别；与媒质的弹性、密度、温 度有关；声音在空气、水、钢铁的大小排序； 因为：C0=331.4+0.6t 3.波长： 米(m)；声速、频率和波长三者有如下的关系：C=f 或 C=/T ； 1.1.3 声波的反射与绕射 1.反射：类比

2、于光的反射 2.折射：声波在传播途中遇到不同介质的分界面时，发生折射。声波折射传播方向改变。 （1）声波从声速大的媒质折射入声速小的媒质时，声波的传播方向折向分界线的法线； （2）声波从声速小的媒质折射入声速大的媒质时，声波的传播方向折离法线。 3.声波干涉 （1）波的独立作用原理几列波在传播时，无论是否相遇，都将保持各自原有特性（频 率、波长、振幅、振动方向）不变，互不干扰地各自独立传播。 （2） 波的叠加原理在相遇区域内任一点的振动,为各列波单独存在时在该点所引起的 振动位移的矢量和。 1、干涉现象两列波相遇区域内振动在空间上出现稳定的周期性的强弱分布的现象。 2、相干波条件 1) 频率相

3、同； 2) 振动方向相同；3) 同相或相位差恒定。 满足上述三条件的波称为相干波，其波源称为相干波源 4.绕射（衍射） 。 当障碍物或孔洞的尺寸比声波波长小时，声波将产生绕射(又称衍射)或弯曲，即声波将 绕过障碍物或通过孔洞改变前进方向 5.声波的透射与吸收 当声波入射到墙壁等物体时，声能一部分被反射，一部分透过物体，还有一部分由于物 体的振动或声音在物体内部传播时介质的摩擦或热传导而被损耗，这通常称为材料的吸收。 透射声能与入射声能之比称为透射系数（） ；反射声能与入射声能之比称为反射系数 （r） 。通常将值小的材料称为隔声材料，将 r 值小的材料称为吸声材料。 第二节第二节 声音大小的量度

4、声音大小的量度 1.2.1 声压与声压级、声功率与声功率级、声强与声强级 1.声压级：所谓某点的声压级是指该点的声压 P 与参考声压 P0的比值取常用对数再乘以 20，单位为分贝(dB)，即 Lp=20lgP/P0 (dB) 式中参考声压 P0=210-5pa。 人耳听阈 210-5Pa 到痛阈 210Pa 的变化范围，用声压级表示时，就变成 0dB 到 120dB 的变化范围。所以声压变化 10 倍，相当于声压级变化 20dB；声压变化 100 倍，相当于声 压级变化 40dB。 2.声功率与声功率级： 声功率：指单位时间内通过垂直于声传播方向面积为 s 的截面的平均声能量。单位：瓦 （W）

5、 在数值上应是以 s 为底、以 co为高的柱体内包含的平均声能量相等。即： 声功率级：（dB） Lw=10lgW/W0 式中 W0=10-12W，称为参考声功率。 3.声强与声强级 声强（I）：通过垂直于声传播方向单位面积上的平均声功率称为平均声能量密度或声强。 声强级：LI （dB） LI=10lgI/I0 第三节第三节 人耳听觉特性人耳听觉特性 听觉是人们对声音的主观反应。声音三要素:响度、音调和音色。 1.响度：人耳对音量大小的主观感受。 （声强大小、频率）dB；注意区别于声强的含义 2.音调： 人耳对声音频率的主观感受。 （频率、声压、波形）,又叫音高或音准 3.音色：人耳对声源发声特

6、色的主观感受。 （频谱结构） 1.响度 （1）响度：单位宋（sone） ，定义 1kHz、40dB 纯音的响度为 1sone。 （2）响度级：单位方（Phon） ，当人耳感到某声音与 1kHz 单一频率的纯音同样响时，该 声音声压级的分贝数即为其响度级。 （3）等响度曲线 在声压级与频率的坐标系中,声压级作为参变量,将频率不同,人们听起来却有同等响度的 声压级连接起来组成的一簇曲线，被称为等响度曲线。 （4）响度特性： 1.响度级与声压级：声压级提高，响度级也相应增大；响度级还与频率有关，声压级一定 时，频率不同，响度级也不同。 2.高声压级时，曲线较平直，说明音量大时，声压级相同的声音差不多

7、一样响，与频率关 系不大；低声压级时，曲线斜率较大，说明音量小时，声压级有一点点变化时，低频的响 度就有很大变化。 3.等响度曲线在 1-5kHz 区下凹，其中，3-4kHz 下凹最多，说明人耳对这段中高音最敏感。 人耳对高音和低音感觉较为迟钝。 2.音调 人耳对声音调子高低的主观感觉称为音调，或称音高、音准。 音高=Klgf。声音持续时 间的长短也会对音调产生影响。 倍频程：若两个声信号的频率 f1、f2相差一倍时(f2/f12)，称其为一个倍频程。 o sceVeW 依次相差一个倍频程，人耳音高听感上也依次升高一倍。 3.音色：指构成声音的频谱中各频率分量的分配情况。 音色是一个复杂的感觉

8、，难定量分析，应用时： 1.有时要保持原有音色：高保真音乐节目重放时 2.有时要设法改变音色： （1）收听音乐时，提升高、低音 （2）语音，要保持良好的清晰度 听觉效应： 1.双耳效应： 1896，英，瑞利，揭示人类听觉能在平面范围内判别声音方位机理。 人耳对称地排列在头部两侧。当声源偏离了两耳的中轴线时，声源到达两耳的距离存在 差异，这将导致到达两耳的声音在声级、时间、相位上存在差异，这种微小的差异被人耳 的听觉所感知，传导给大脑并与听觉经验进行比较、分析，得出声音方位的判断，这就是 双耳效应。 声音到达两耳形成声级差，时间差和相位差。 2.耳壳效应：指单耳具有辨别声音方位的能力。 人的耳壳

9、是一个凹凸曲面，当声音达到人耳时，耳壳的各个不规则曲面将对声波产生反 射，不同部位向耳内膜的反射，就形成了具有多个极短延时量的重复声，根据重复声的延 时量，人们就可辨别出声音的方位。 实验证明耳壳效应对 4kHz20kHz 频段声音的辨位能力最强。 3.掩蔽效应：当两个声源出现时，其中一个声源会影响人耳对另一个声源的听觉能力，这 种现象称为掩蔽效应。 掩蔽量：被掩蔽音受掩蔽音干扰时应提高的分贝数。 纯音的掩蔽: 1）被掩蔽声的频率越接近掩蔽声时，掩蔽量越大“差拍现象” ； 2）掩蔽声的声压级越高，掩蔽量越大，且掩蔽的频率范围越宽； 3）掩蔽声对比其频率低的纯音掩蔽作用小，而对比其频率高的纯音掩

10、蔽作用大，低频容易 掩蔽高频，高频很难掩蔽低频。 噪音的掩蔽:“鸡尾酒会效应” 4.鸡尾酒会效应 鸡尾酒会效应描述了人们在受到不重要的持久激励时，能够在重要的事情上集中精力。 鸡尾酒会上的人们能够不受同一个房屋的其他交谈影响，专注于他们自己的交谈，而不是 把其他交谈当作背景噪音。 声象：指在听音者听感中所展现的各声部空间位置，并由此而形成的声画面。 5.哈斯效应 设两个同声源的声波到达听音者的时间差为 ，哈斯(Haas)通过实验表明： 在 535ms 时，人耳无法区分两个声源，给人以方位听感的只是前导声(超前的声源)。 在 3550ms 时，人耳开始感知滞后声源的存在，但听感所辨别的方位仍是前

11、导声源； 50ms 时，人耳便能分辨出前导声与滞后声源的方位，能听到清晰的回声。 哈斯对双声源的不同延时给人耳听感反映的这一描述，称为哈斯效应。 6.劳氏效应 假立体声效应，是立体声范围的心理声学效应。如果将延时后信号反相叠加在直达信号 上，会产生一种明显的空间感，声音好像来自四面八方，听者仿佛置身于乐队中。 7.德波埃效应(Debye)双声源实验 t t t t 送给扬声器 Y1、Y2 同相位的相同信息，改变 Y1、Y2 信号电平。 (1) 改变 ，声像朝着声级大的声源移动， dB 时，感到声音完全来自 声级高的声源。 (2) 改变 ，声像朝着超前的声源移动， ms 时，感到声音完全来自超前

12、 的声源。 8.多普勒效应 声源与听音者之间存在相对运动时，会感觉到某频率声音音高（频率）变化 第二章第二章 室内声场与音质室内声场与音质 第一节第一节 室内声场室内声场 一、室内声场的组成一、室内声场的组成 1. 直达声 2.前期反射声 3.混响声 二、简正方式和简正频率二、简正方式和简正频率 1. 平行墙壁间形成驻波的条件是： L 为两平行墙壁间距离，n 为自然数， 为声波的波长。 驻波：由两列频率相同、传播方向相反的平面声波迭加形成的一种特殊的干涉现象，为驻 波现象。 2.简正方式：按上述条件形成的每一个驻波称为房间的一个简正方式，其相应的频率称为 简正频率。 3.简正频率：简正方式对应

13、的频率称为简正频率。 4.简并现象：简正方式不同，但简正频率相同的现象，导致声染色（声场中某些频率成分 加强） 。 室内声场的基本特征： 由于反射声对直达声叠加的结果，声压随声源距的衰减没有象室外声场那样明显。 由于室边界面对声的反射作用，当室内声源停止发声后，室内声并不立即停止，而是继 续持续一段时间。 由于室形状的复杂性或线度比例失当，声波在室内传播时，有可能产生回声、聚焦、蛙 鸣、声染色等特异声现象。 三三.室内声场的建立、稳定和衰减室内声场的建立、稳定和衰减 1、建立与稳定过程 W声源声功率。S室内界面总面积。c 声速。 室内界面平均吸声系数。 2 nL cS W4 0 0 4 cS

14、W 0tLp15Lp 0Lpt3t 2、衰减过程： 三条曲线分别表示大小、形状相同，但室内界 面吸声量不同的三个房间室内声场的建立和衰减过程，可见，曲线 a 所示房间吸 声量最小，曲线 c 所示房间吸声量最大。 四、混响时间四、混响时间 T60 1.定义：室内声压级下降为 60 dB 所需的时间。 五、五、 T60 频谱频谱 一般情况下，如无特别说明，房间的混 响时间是指 500Hz 声波的混响时间。 六、六、 室内声场分布室内声场分布 指固定而稳定的声源发声后，其声能密度在室内空间的分布。 1.房间常数 R 是房间吸声能力以及混响声声能密度的反映。 2.混响声声能密度： pbpa ab LL

15、 ttT 60 )( 60 1 S R cR W es 4 第二节第二节 室内音质评价室内音质评价 一、理想室内音质要求一、理想室内音质要求 1无噪声干扰，或噪声控制在允许值以下。2作为语言用房，首先应追求声音的清晰。 3作为音乐用房，则要求声音圆润、丰满和足够的力度。 4对于立体声效果用房，要求有立体感、空间感和临场感。 5整个声场应充分扩散、分布均匀。 6没有回声、颤音、蛙鸣、嗡声（低频产染色）以及声聚焦等声缺陷。 二、评价标准二、评价标准 （一）室内噪声水平评价方法 1. 噪声评价指数（NC) 各条曲线声压级与 N 数满足： a,b 为常数 bNaLp 3. 最佳混响时间 指对于不同用途

16、的声室，不同的音质设计，应有不同的容积空间，在此容积下，有某一段 混响时间范围，其间声效果最好。最佳混响时间通常取 500Hz1000Hz 作为标准。 （1）现代节目制作用室，都要求有短而平直的混响时间，原因？ 1.短混响的节目可以通过电声手段任意加进人工延时和混响，以模拟各种声现场的情景。 而如果节目已具有长时间的混响则很难减短 2.短混响的房间由于吸声条件较好，有利于降低背景噪声 3.在电视演播中，现场拾音距较大，如果混响时间较长，就会影响讲话者的亲切感和实在 感。 前期反射声前期反射声 时间序列：30ms-混响感;50ms-回声 方向序列：前方的近次反射声能增加声音的亲切感；侧方来的近次反射声能增加声音的围 绕感。 声场扩散特性声场扩散特性 扩散声场：统计平均均匀的声场 房间的声场扩散特性:指被评价房间实际声场的