音频学基础知识（音频基础知识1）

一、声音是如何产生的

（一）振动的物体能使邻近的空气分子振动，这些分子又引起它们邻近的空气分子振动，从而产生声音，声音以声波的形式传递，这种传递过程叫声辐射。由于分子振动产生的声波的方向与波传递的方向相同，所以是一种纵波。

（二）声音必须在介质中传播，无论是固体、液体还是气体，都可以作为介质。

（三）声音在固体中的传播速度最快，其次是液体，声音在气体中传播的速度最慢。

一、声波的基本量

（一）频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）频率高的声音称为高音，频率低的声音称为低音。声音是声波作用于人耳引起的主观感受，人耳对声波频率的主观感觉范围为20Hz~20kHz，通常称此范围为音频；低于20Hz为次声波，高于20kHz为超声波。

（二）波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位m(米)。声波完成一次振动所走的距离。

（三）声速，声波在某一介质中1秒钟传播的距离。单位m/s。（声速受温度的影响）

一、声波的基本量

波长公式：波长＝声速/频率（γ=c/f）

举例：

C= 340m/s（空气15℃）

f=100Hz

γ= c/f=340/100=3.4m

通过计算波长我们可知道最高可听声和最低可听声的范围。

声压

疏密波压力的大小称为声压。指的是声音的压力在大气层作用下的相对变化。压力变化的幅度越大，听觉上声音越大，振幅小的声音小。单位Pa。引起人耳听到声音时的声压为可闻阈，它与声源的频率及人的年龄有关。使人的耳膜感到疼痛时的声压为痛阈。

声功率

声源在单位时间内向外辐射的声能量称为声功率，单位W（瓦）

声强

单位面积，单位时间内通过声音的能量称为声强(能量密度），单位w/m²。

声强与声功率的关系：声强I=声功率W/单位面积S。

二、分贝

分贝（decibel）dB 分贝是以美国发明家贝尔命名的，他因发明电话而闻名于世。因为贝尔的单位太粗略而不能充分用来描述我们对声音的感觉，因此前面加了“分”字，代表十分之一。一贝尔等于十分贝。

声学领域中，分贝的定义是声源功率与基准声功率比值的对数乘以10的数值;其简单表达式lgA/B。

而分贝，即dB＝10 lgA/B。单位为dB。A为声源功率，B为基准声功率10的-12次方

根据公式计算以及工作中的经验，我们得出以下结论：功率增加一倍，声压级增加3dB。

距离增加一倍，声压级减少6dB(自由声场的情况下)

在电声领域中，分贝这个量的变化关系恰恰和人耳的听觉强弱感受非常吻合，这也给声学计算打下了一个良好的基础。

三、声压级

人们采用一种按对数方式分级的办法作为表示声音大小的常用单位，这就是声压级。

所谓某点的的声压级Lp是指该点的声压P与参考声声压P0的比值取常用对数再乘以20，单位为分贝（dB),即：

Lp= 20 lg (P/P0)

（p0=2×10的-5次方Pa）

声压级和声功率级有如下关系： Lp=Lw-10lg（4πr^2)

声源为点声源的情况（理想情况）

四、声压级计算公式

所有音响工程都要求声场应达到一定的声压级，参照国家标准。为此，必须正确配置扬声器——选用合适的扬声器、馈给适当的声频电功率、把扬声器（或扬声器群）安装在合适的地方

听音点声压级(L)的计算公式（自由空间点声源）

SPL= S 10 lg P

L = SPL – 20 lg r

式中 S - 扬声器灵敏度 P - 馈给扬声器的功率

r - 扬声器与听音点的距离 SPL - 扬声器的最大声压级

举例：扬声器的灵敏度为95dB,功率为300w,则SPL =91 10lg300=120dB

若扬声器到达听音点的距离为20m,则L=120-20lg20=94dB

五、常见声源的声压级-分贝

窃窃私语：20dB~35dB

人声语言：30dB~80dB

女高音：35dB~105dB

男高音：40dB~95dB

小提琴：40dB~100dB

打击乐：55dB~105dB

交响乐：20dB~120dB

六、声音的叠加

单频率的正弦波称为纯音，声音是由基波和高次谐波组成

当两上或多个具有相同频率和振幅的正弦波信号叠加在一起，其合成的信号还具有同样的频率，其振幅由两原信号的相位关系所决定。当相位相同，振幅则会增加。当两个信号完全相反时，则全部抵消。

七、本底噪声

在厅堂声学设计中，本底噪声是指房间内部自身振动或外来干扰而形成固有的噪声，大小仍以声压级dB的方式表示。

厅堂的本底噪声是建筑声学设计以及专业音响工程需要涉及和控制的一个基本物理量，它的大小、处理方式对厅堂的声学环境有着重要意义。

由于本底噪声主要来自于外界环境噪声和振动、设备噪声和振动两个方面。在音响工程中，这两方面的内容都会不同程度上的涉及：一是在建筑上进行隔声，二是在设备上降低噪声。

八、各种场所的噪声级

分贝（dB）	场所
120	飞机起飞着陆时，正下方
110	列车通过铁路桥时，正下方
100	地铁行车时，车厢内
90	公共汽车内
80	白天十字路口
70	普通讲话
60	安静的街头
50	安静的办公室
40	安静的住宅小区，白天
30	安静的住宅小区，夜晚

九、声音的三要素

响度

响度又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。响度是听觉的基础。正常人听觉的强度范围为0dB—140dB。

音高

音高也称音调，表示人耳对声音调子高低的主观感受。客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹(Hz)表示。

音色

音色又称音频，由声音波形的谐波频谱和包络决定。声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。

等级	最大声压级（dB）	传输频率特性	传声增益（dB）	稳态声场不均匀度（dB）	早后期声能比（可选项dB）	系统总噪声级
一级	额定通道*范围内：平均声压级大于等于106dB	以80~8000Hz的平均声压级为0dB,在此频带内允许范围：-4~ 4dB；40~80Hz和8000~16000Hz允许在-10~ 4dB	100~8000Hz的平均值≥－8dB	100Hz时小于或等于10dB、1000Hz时小于或者等于8dB、8000Hz时小于或者等于6dB	500~2000Hz内1/1倍频带分析的平均值大于或等于 3dB	NR-20

十、声波的传输特性

当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时，声波将被反射。类似于光在镜子上的反射。

反射的规则：

1）入射线、反射线法线在同一侧。

2）入射线和反射线分别在法线两侧。

3）入射角等于反射角。Li=Lβ

十一、声波的折射

声波在传播途中，遇到不同介质的分界面时，除了发生反射外，还会发生折射。一般来说，只要是介质的密度、压强、温度或声阻不同，就应看做是两种介质，在其传播的速度就会发生变化，声波就会产生折射。

十二、声波的绕射

声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。

十三、声波的散射

当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，形成扩散。

十四、声波的透射与吸收

声波具有能量，简称声能。

当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。

透射系数：

反射系数：

吸声系数：

不同材料，不同的构造对声音具有不同的反应性能。在隔声中希望用透射系数小、吸声系数大的材料防止噪声。在音质设计中需要选择合适的吸声材料，控制厅堂内声场扩散。

十五、声音在室内传播

当一个声源在室内发声，任一点听到的声音按照先后顺序分为直达声、早期反射声和混响声。

十六、声音在室内传播

直达声

直达声是室内任一点直接接收到声源发出的声音，是接收声音的主体，不受空间界面的影响。

早期反射声

早期反射声是指延迟直达声50毫秒以内到达听音点的反射次数较少的声音，包括一次、二次或少数三次反射声。

混响声

混响声是指声源发出的声波经过室内界面多次反射，迟于早期反射声到达听音点的声音。

室内声音反射的几种情况

十七、声音在室内传播

十八、混响时间

混响时间（Reverberation Time），表示声音混响程度的参量，声源停止发声后，声压级减少60分贝所需要的时间，单位为秒。用T60或RT表示 。

混响时间对音质有着很大的影响。混响时间短，有利于听音的清晰度，但过短则会感觉到声音干涩和响度变弱；混响时间长，有利于声音的丰满感，但过于长则会感到前后声音分辨不清，降低了听音的清晰度。

房间的混响时间与房间的容积，表面积及房间平均吸声系数有关。

V:房间的容积,单位为立方米(M3)

S:房间表面积的总和,单位为(M2)

ā :房间表面的平均吸声系数,百分率，

ā=S1a1 S2a2 …Snan÷S1 S2 …SN

S1…Sn和a1…an：分别代表房间表面的每个面的面积和它们的吸声系数

十九、参考混响时间

厅堂类型 参考混响时间

电影院 1.0 ~ 1.2 Sec

会议厅 1.0 ~ 1.4 Sec

音乐厅 1.5 ~ 1.8 Sec

电视演播室 0.8 ~ 1.0 Sec

语言录音室 0.3 ~ 0.4 Sec

录音控制室 0.3 ~ 0.4 Sec

多轨录音棚 0.6 Sec

十九、回声

比听到直达声迟50毫秒以上，可以从直达声中分离出来的反射声叫做回声。

混响是来自于很多的反射声，听到的是连续的衰减声音。

回声是可以清晰地分离出来听到的反射声。

回声使声音的清晰度明显下降，房间越大，墙壁反射性越强越容易产生，增加墙壁的吸声能力，改变墙壁的角度可以防止回声。

二十、语言清晰度（可懂度）

语言清晰度和可懂度是语言经过传输，受到各种失真（处理）和干扰后，能够听清或听懂的程度。

目前，经常使用的清晰度的评价方法叫做STI。这种测量方法的特征是计算自声源连续发出声音的直达声，经过各种各样的反射，以及噪声的干扰程度，并用0～1的数值表示听取的难以程度。

二十一、语言清晰度和其它声学概念的关系

语言清晰度和可懂度的关系：单句可懂度高于单词可懂度。

语言清晰度和声压级的关系：在一定声压级范围内，语言清晰度是随声压级的增大而提高的，但达到一定值后，声压级的增大反而会使清晰度下降。

语言清晰度和信噪比的关系：在背景噪声较强的情况下，利用一定的手段提高信号的信噪比，可以使语言清晰度得以提高。

二十二、语言清晰度和其它声学概念的关系房间的特殊声学现象

声聚焦：由于室内存在的凹面，使部分区域的声音汇集在某一个焦点上，从而造成室内声场分布不均匀的现象。

死点：由于声音的聚焦或干涉形成某点（或某区域）声音严重不足的情况。

声音区：由于建筑物或折射的原因，造成声音不能辐射到的区域。

声染色：由于房间频率相应的问题，原始声音在传播过程中被赋予了额外的声音特征。

二十三、倍频程

倍频程：通常将可闻频率范围内20~20KHz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十一个，为：16 31.5 63 125 500 1K 2K 4K 8K 16K

1/3倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 ...

二十四、频谱与音质的关系

在评价乐器或声音时，频谱结构在很大程度上决定声音的音质。了解声音频谱与音质的内在关系，有助于声音的调整和修饰。这对声音的前期处理和后期加工都是十分必要的。

频谱划分

高频段：7kHz以上 中低频段：500Hz~2kHz

中高频段：2kHz~7kHz 低频段：500Hz以下

二十五、频谱与音质的关系

高频

声音的高频成分多，表现出声音明亮、清晰、锐利。高频成分过多，声音就会刺耳、有丝丝声，轮廓过于清楚，声音硬、缺乏弹性；高频成分适中，则声音开阔、活跃、透明清晰、自然，但是可能细节过分清楚；高频成分少，声音圆润、柔和、丰满，但是明亮度下降。动态出不来、沉重、浑浊。

中频

声音的中频主要包括中高频和中低频，中频成分多时，声音表现有力、活跃清晰、透亮；中频成分过多，声音动态出不来、浑浊有号角声，鸣声（500～800Hz）、电话声（2～4kHz）、刺耳声（4～7kHz）、金属声（3～5kHz）；中频成分适中，声音自然、中性、圆滑、悦耳，但声音可能无活力、平淡；中频成分过少，声音圆润柔和，但是显得松散。

低频

声音的低频成分多，声音有气魄、厚实、有力、有温暖感、柔和、圆润、丰满；低频成分过多，声音浑浊、沉重、有隆隆声；低频成分适中，声音丰满低沉、坚实；低频成分过少，声音可能会比较干净，但是单薄无力。

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