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音像技术及应用教学课件 ppt 作者周遐 第一章 电声基础知识.ppt.ppt

音像技术及应用教学课件 ppt 作者周遐 第一章 电声基础知识…

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2019-09-10 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

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第一章电声基础知识第一节概述本书所述的音像系统是指广播音响系统、有线电视系统或卫星电视系统本书涉及的音响是泛指用电声设备重放出来的声音而非原发声系统。一、几个基本概念、电声:电与声的相互转换叫电声其器件叫电声器件它是利用电磁效应、静电效应、压电效应等原理来完成电声转换的。如传声器能将声音信号转换成电信号而扬声器能将电信号转换成声音信号。、原发声:由发声体直接发出的声音如歌手声带、乐器等振动体直接发出不经任何处理的声音。、重放声:经过一定技术处理由扬声器(音箱)重放出来的语言、歌声、音乐等声音。随着技术的进步、社会的发展、生活的富裕在人们的工作、生活中几乎处处有重放声响起可以说在现代社会电声音响已成为我们身边不可缺少的事物。、节目源:经过一定技术事先录制好的声音软件如磁带、碟片、唱片等也可是广播电台、电视台播放的节目信号还可以是现场音响的演说、演唱、演奏等。重放声都是需要节目源的。、现场扩声:以现场音响为节目源利用电声设备进行的实时重放叫做现场扩声。二、几个基本系统、广播音响系统包括一般广播、特殊广播和紧急广播系统。()所谓一般广播音响即为收听音乐和新闻的广播系统这种系统一般设置广播室除了能转播电台的节目外还可自办节目也可进行公共广播并向公共场所播放背景音乐。()特殊广播音响用于宴会厅(或多功能厅)、餐厅、歌舞厅、会议厅、同声传译等这种系统要求比较高性能比较完善。()紧急广播系统为发生紧急事件(如地震、火灾等)时尤其在夜间需要紧急疏散时通过广播进行通知的系统一般高层住宅(商住楼)将播音器安装于各层的走廊上宾馆则将播音器直接安装于客房、走道和人员聚集的公共活动场所。对于智能建筑一般广播和紧急广播可合为一体统称公众广播音响系统它的对象为公共场所在走廊、电梯门厅、电梯轿厢、入口大厅、商场、餐厅、酒吧、宴会厅、天台花园等处装设组合式声柱或分散式扬声器箱。平时播放背景音乐(自动回带循环播放)当发生紧急事件时强行切换为事故广播用它来指挥疏散故公众广播音响系统的设计应与消防报警系统相互配合实行分区控制。区域的划分与消防的分区相同。客房音响的设置是为了给客人提供音乐欣赏建立舒适的休息氛围为了适应不同爱好一般在床头柜控制板上装设能选听~种广播节目的选择开头客房音响在紧急事件发生时也将被强行切换为紧急广播。、有线电视系统(含卫星电视)是以接收电视广播为目的它以有线传输方式将电视信号分别送到电视系统的各个终端用户。这样就解决了接收电视信号由于反射而产生重影的弊端改善了由于高层建筑阻挡而形成的电波阴影区处的接收效果(对天线传输而言)而且不占用有限的无线电空间并保证了信号的传输容量和质量。但是在智能建筑中人们并不满足于仅仅接收电视台电视广播这种单一的功能而要求它能传送其他信号例如卫星电视节目用录像机、VCD、DVD和调制器自办节目等。这就要求系统更加完善更加复杂数字有线电视系统还将增加电视点播、电视购物、电视诊疗、电视图书、电视信息等极大提高了电视系统的功能。因为有线电视系统不向外界辐射电磁波以有线闭路形式传送音视频信号(电视信号)所以也被人们称为闭路电视(CATV)系统。实际上有线电视系统由于不断的发展和扩大(有开路又有闭路)因而也被称之为电缆电视系统(CableTelevision缩写为CATV)。第二节声音的概念研究声音的是为了研究音响技术研究音响技术是为了满足人们的听觉享受声学所要讨论的是听觉器官所感觉的现象.它涉及的范围非常广泛.本节我们只研究声音怎样发生、怎样传播以及声音本身具有的特性等问题至于生理学和心理学等方面的问题不在我们讨论学习范围之内。一、声源和声波声音是由物体的振动并在介质中传播而形成的。例如用鼓槌敲击鼓皮于是鼓皮发生振动而发声用弓拉琴于是琴弦发生振动而发声吹笛笛腔内的空气柱发生振动而发声人说话、唱歌是人的声带振动和口腔的共鸣而发声把音频电流送人扬声器扬声器的纸盒发生振动而发声。声音的产生必须有三个条件一是振动的物体二是传播振动的介质三是有听觉感。.声源发生声音的振动源就叫做ldquo声源rdquo上面提到的振动着的鼓皮、琴弦、歌手的声带以及轰鸣着的喷气发动机等都是声源。由声源发出的声音必须通过媒体才能传播到我们的耳朵让我们听到。空气是最常见的媒体其他媒体如水、金属、木材、塑料等也都能传播声音其传播能力甚至比空气还要好。例如把耳朵贴近铁轨可以听到在空气中听不到的远处火车运行的声音这些声音就是通过钢轨传来的。没有媒体的帮助人们就无法听到声音例如在外层空间由于是真空没有空气及其他媒体宇航员是无法直接对话的。只能通过无线电波来传送声音。声源有两种基本形式:机械声源(利用机械振动产生的声音)空气振动声源(由空气柱辐射产生的声音)。根据声音发生和应用的不同声源大体可分为三类:环境音响(自然现象本身发出的声音)动作音响(一切通过人为动作产生的声音)非现实音响(现实生活中不存在的声音)。.声波那么声音在媒体中是怎样传播的呢原来当声源振动时它将带动邻近媒体的质点发生振动而这些质点又会牵动它们自己周围的质点发生振动于是声源的振动就被扩散开来并传播出去。由声源引起的媒体的振动形成ldquo声波rdquo。声波的形成与传播的过程同水波很相似。当我们用一根棍子在平静的水面上点动时就会看见水波源源不断地从被扰动的地方扩散开来并传播出去。由于我们看不见空气的振动所以也看不见空气中的声波。但如果把发声的扬声器浸在水里我们就会看见水面的声波其波纹会比棍子掀起的水波细密得多。声波是一种纵波媒体振动方向与转播方向是一致的。二、声速及声的传播.声速声音的传播是需要时间的一个众所周知的例子是雷声我们都有这样的感受闪电过后一段时间我们才听到雷声这说明雷声从打雷的地方传来需要时间而且这个时间比光传来所需的时间要长得多声音传播的时间取决于声源的距离和声音的传播速度mdashmdash即ldquo声速rdquo。在本书中声速用c表示其单位为米秒(m/s)。实验证明声速主要是由媒体(以及影响媒体的因素)决定的与声音的其他参数(例如频率、振幅等)无关即在不同的媒体中声音的传播速度是不同的同一媒体因为温度压力等的不同声音的传播速度也是不同的。如在标准大气压下和温度为℃时声音在空气中的传播速度约为m/s。在工程计算中可取m/s表mdash列出在标准大气压下℃时各种媒体中的声速表mdash列出在标准大气压下不同温度下干燥空气中的声速。由这两个表可看出水中的声速很大大约是空气中声速的.倍金属中的声速比水中的更大。一般来讲声音的速度随温度的增加而增加在空气中温度每升高℃声速约增加m/s。表mdash℃时各种媒体介质中的声速表mdash不同温度下干燥空气中的声速.直射声人耳接收到的从声源直接传来的声音称为直射声它具有声源本身的特性。.反射声声波在传播过程中遇到障碍物一部分将被反射称为反射声特别当障碍物的尺寸远大于声波波长时声波将发生明显的反射我们经常听到的回声就是声波反射所造成的。、声绕射当障碍物的尺寸与声波波长在同一数量级时声波将绕过障碍物而无反射这种现象称为声波的绕射。、声吸收声波在传播过程中遇到墙面、天花板或其他各种物体的表同时形成声波反射并在这些表面产生摩擦消耗能量声能因而将衰减这种现象称为这些障碍物对声波的吸收。在建筑物内常利用某些特殊材料来吸收声能以减弱反射声达到控制混响时间和消除回声的目的。三、声波的频率、波长和相位.频率频率就是每秒钟内往复振动的次数(单位时间内的振动次数)振动一来一往为一次也叫一周声波的频率也就是声音的频率频率用f表示其单位为赫兹(Hz)每秒振动一周为HzKHz=HzMHz=kHz=Hz由频率单一的振动所产生的声音称纯音由若干频率的复合振动所产生的声音称复音各种声音都包含着特定的频率成分每种声音所具有的频谱称为声谱。一个声音之所以不同于另一个声音主要在于声谱不同。频率与声音音调的关系是:频率低相应的音调就低(声音就越低沉)频率高相应的音调就高(声音就越尖锐)。两个不同频率的声音作比较时起决定意义的是两个频率的比值而不是它们的差值。用来比较两个声频大小的物理量叫倍频程倍频程定义为两个声音的频率之比以为底的对数其公式为:n=log(ff)(mdash).波长波长是声源每振动一周声波所传播的距离也就是声波两个波峰之间的距离(即一个周波的长度)波长用希腊字母lambda表示其单位为米(m)波长、频率、声速之间的关系为(mdash)由上述公式可看出频率越高则波长越短即波长同频率成反比这是一个很重要的概念以后讨论到声音的反射、绕射等问题时将会用到这个概念。从式(mdash)中我们还可看出同一声波在不同媒体中传播由于其声速的不同其频率也将发生变化。.相位声波的相位也可简称为相。一般说来相位是用来描述简谐振动(正弦振动或余弦振动)在某一个瞬间的状态的物理量由于声波来源于振动所以也有相位问题。相位用相位角来表示。如图-a)中标出了某一个正弦波上的四个状态点:A、B、C、D。其中A点处于由负向正过渡的状态也是正弦波的起始点称为相位B点处于向正半峰发展的中间过渡点称为相位C点处于正波峰点称为相位D点处于负波峰点称为mdash相位(也称相位)也就是说一个周期为。在一个周波之内任何一点的相位都是不同的各对应于一个确定的相位角值而在另一个周期中各相位将会重复出现。所以声波传播的路径上每隔一个波长的距离其相位相同而每经历半个波长则其相位相反(相位角的符号相反)。至于声波在其起始点的相位则同声源的相位相同。图mdashb)为各种声波的频率。图mdash声波的相位、振幅与频率a)声波的相位、振幅b)声波的频率相位的概念对理解声波的叠加、干涉以及扬声器的连接方法都有重要意义。第三节播音的声学原理一、声压、声压级与声功率级.声压在媒体中传播的声音(声波)所到之处会引起媒体局部压强发生微小的变化尽管这种变化非常微小但仍可用仪器测量出来。这种由于声波扰动引起的逾量压强(总压强与原始压强之差)称为声压单位为帕(Pa)即牛/米(N/m)。声压是作为声音强弱的一种量度。人耳的感知声压范围在kHz时为times~Pa其下限为timesPa(仅可听闻)这个声压值叫做闻阈。上限为Pa(震耳欲痛的声音)这个声压值叫做痛阈。.声压级为了便于实际应用声压常以声压级来表示。(mdash)式中:Lpmdashmdash声压级(dB)Pmdashmdash声压(Pa)Pmdashmdash参考基础声压即闻阈P=timesPa。我们知道声音是由机械振动产生的但不是任何机械振动都能形成可闻的声音。实验和经典理论认为只有频率在Hz至KHz之间的机械振动才能发出人类可以听闻的声音因此这个频率段成为声频。人耳的KHz感知声压级范围是dB(可闻阈)至dB(痛阈)。实验表明人耳对声音的强弱感觉并不直接同声压成正比例如当声压增加倍时我们只觉得声音增加了倍当声压分别增加至倍、倍、倍时我们的感觉是声音增强了倍、倍、倍。这种关系恰好与为底的对数关系相符合因此声压级正好用来描述我们的听觉。声压级也常用SPL来表示在工程中实际声场的声压级通常是不必计算的有一种仪器叫做声级计它可直接显示被测声场声压级的分贝值。为使大家有一个概念表mdash列出几种典型情况下声场的声压级数值。表mdash几种典型情况的声压级数值.声功率声源辐射声波时对外做功声功率是指声源在单位时间内向外辐射的总能量轻声耳语时声功率大约为muW而喷气飞机的声功率可大于W。声功率可表示为W=URa(mdash)式中Wmdashmdash声功率(W)Umdashmdash流体的体积速度(m/s)Ramdashmdash声源的辐射声阻(Pamiddots/m)声功率也常以声功率级Lw表示它是待测声功率与基准声功率之比取常用对数乘单位dB。(mdash)式中Wmdashmdash声功率(W)Wmdashmdash参考基准声功率W=(W)Lwmdashmdash声功率级(dB)。声压级Lp与声功率级Lw有如下关系:用于球面扩散的声源:Lp=Lw-gr-(mdash)用于半球面扩散的声源(如声源靠近地面时):Lp=Lw-gr-(mdash)上两式中r为计算点到声源的距离(m)。人耳对声音强弱的辨别能力约为dB一般在dB之内的变化可以认为声音强弱没有太大的变化。顺便指出为了适应人类的主观听觉以及其他感觉不仅声压级用dB做单位许多电声设备的指标都以dB为单位例如设备的放大量(增益)和衰减量话筒和扬声器的灵敏度以及设备的输入、输出电平等都常常以dB为单位。其中有的用分贝来表示一种相对的变化。例如功率放大(或衰减)了倍、倍、倍helliphellip分别称增益(或衰减)为dB、dB、dBhelliphellip。另外有的用dB来表示一种绝对的量值。例如功率电平以mW(V/Omega)为dB伏特电平以V为dB电压电平以V(不论阻抗是多少)为dB。比mW大倍、倍、倍helliphellip的功率电平分别称为dB、dB、dBhelliphellip比V大倍、倍、倍helliphellip的伏特电平则分别称为dB、dB、dBhelliphellip。有时为了详细区分以上几种电平分别把它们写成dBm(毫瓦功率电平)和dBV(伏特电平)。二、人的听觉特性声音的三要素:音调、响度、音色。正是三者不同的配合使人耳感到千差万别的声音。.音调(声频)表示声音的高低是人耳对声音频率的生理感受的表征。声音的频率越高则音调越高音调并不简单地正比于声音的频率它还与声压的大小和声波的波形有关。正常入耳对声音频率的感知范围是Hz~kHz称为ldquo音频rdquo。频率低于Hz的ldquo声音rdquo叫做次声频率高于kHz的ldquo声音rdquo叫做超声。一般地说次声和超声是人类听不见的因此我们把Hz~kH的整个频率区域称为ldquo声频带rdquo或ldquo音频带rdquo。自然界中的绝大多数声音包括人们的说话声昆虫、动物的叫声、美妙的音乐以及机器的轰鸣都是复音。从另一个角度来说各种声音都包含着特定的频率成分而且各种成分的强度也不尽相同针对这种情况我们说每一种声音都具有自己的频谱也叫声谱。一个声音之所以不同于另一个声音主要是因它们的声谱不同。交响乐的声谱散布于整个声频带(Hz~kHz)。在音频范围内一般人耳对kHz的纯音最为敏感故以kHz划界分为低频段和高频段。.响度(声强)响度表示声源所发声音人耳感觉的强弱也就是常说的音量大小它是人耳对声音声压的生理感受的表征一般说声压越大则响度越大但响度并不完全正比于声压它还与人的生理特性、声音的频率和波形有关。响度的单位为ldquo宋(sone)rdquo国际上规定频率为kHz、声压级为dB时的响度为宋。毫宋相当于人耳刚能听到的声音响度。响度级的单位为ldquo方(phon)rdquo它指声压级为dB的KHz纯音所引起的响度感觉称做方(注意方不是不响而是仅可听闻的声响)。响度级为方时响度为宋响度级每增加方响度增加倍。响度和表示声音客观强弱的物理量mdashmdash声强有关这个关系很复杂对同一音调来说声强越大响度越大声强与离开声源的距离的平方成反比。表mdash给出了部分响度与声压级的关系。表mdash部分响度与声压级的关系.音色(音品)音色表示声源所发声音的特色是人耳用于区别相同响度和音调的两种声音的独特生理感受。例如入耳可以分辨出管弦乐中的各种乐器声它并不基于音调或响度的不同而主要根据音色的差别来判断。不同的发音结构会形成不同的音色就像不同的光谱结构会形成不同的颜色一样。在复音中除了频率为f的基音振幅最大外还有f、f、fhelliphellip等频率的振幅很小的成分叫泛音。决定声音品味的主要因素是音调和音色。一个声音的音调是由它的基音频率(基频)决定的基频越高则音调也越高中央C(简谱C调)的基频是Hz而A调(标准音)的基频则是Hz。基频每升高一倍音调就升高度泛音的频率和振幅决定这个声音的音色。.时间差和回声一般人耳可以区别大于ms时间差而先后到达的两个声音。直射声和回声的时间差常达近百毫秒乃至数秒因此人耳是能够分辨的。当时间差小于ms时人耳一般难以区分人们觉得直射声和反射声连成一片仅能感觉到音色和响度的差异。.方位感人们通过双耳定位可以判断声音的方向和声源的方位即具有方位感人耳对水平方向的分辨能力较强可以分辨出水平方向~范围内的声源方位的变动。对竖直方向分辨能力较弱一般要大于才能加以区分。因此在布置扬声器时为了保持视听方向的一致性应使扬声器在水平方向上尽量靠近声源而在竖向的位置高低往往影响甚小。.噪声人们愿意接受的声音称为ldquo信号rdquo信号以外的各种杂乱声音统称为ldquo噪声rdquo。噪声对信号的妨碍程度称为ldquo掩蔽效应rdquo它不仅取决于噪声的总声压级大小还取决于噪声的频谱分布信号和噪声的频率越接近噪声的掩蔽作用也就越大掩蔽作用太大就会让人听不到信号只能听到噪声这是设计时要注意的问题。三、声音的反射、吸收、绕射和叠加.反射和吸收声音在传播过程中遇到障碍物时会发生反射、吸收、绕射等现象这同光线投射到障碍物时的情形相似。当障碍物大于声波波长时声音将被反射当障碍物表面凹凸不平时如果凹凸的尺度小于声波波长则反射特性同光滑面相似如果凹凸的尺度能和声波波长相当则反射会散向四面八方形成散射。不过能够把入射声波全部反射回去的障碍物几乎没有绝大多数障碍物会吸收一部分声波吸收的程度与构成障碍物的材料有关。一般障碍物越坚硬、越稳固则反射特性越好反之吸收越严重。材料对声音的吸收能力用ldquo吸收系数rdquo来表示。声波入射到材料表面时被吸收的那部分声能与入射声能之比的百分数叫吸声系数。空气也会吸声不过其吸声系数很小工程中常常予以忽略表mdash为常用材料的吸声系数可供工程设计时参考。必须说明由于一个声音通常包含着许多频率不同的分量而频率(或波长)同障碍物的反射和吸收特性相关所以对于同一障碍物同一个声音中的高、中、低频分量的反射、吸收状况也不一样。一般声音中的高频分量比较容易被吸收也比较容易被散射所以声音中的高频分量很容易在传播中衰减形成高音不足而导致清晰度下降的现象。表mdash部分材料吸声系表mdash部分材料吸声系.绕射并不是所有的障碍物都会反射声波当障碍物的尺寸比声波波长要小时声音将会绕过障碍物继续向前传播这种现象叫ldquo绕射rdquo。由于一个声音通常包含许多频率不同(波长不同的)分量因此对某一障碍物而言声音中的低频分量(波长较大)可能绕射过去而高频分量却可能被反射回去。这意味着声音的音色在某些障碍物的前面和后面会发生变化。因此在配置音箱时要注意小尺寸的障碍物对低音可能无碍但对高音的影响作用则不能忽视。.叠加和干涉两个和多个声音在同一区域内传播时声音会发生叠加现象。声音的叠加并不是简单的加强。如果多个声音各不相同人的听觉系统有从中选择某一个声音的能力而其他叠加上的声音则成为干扰声而如果多个声音是相同的例如它们一个是原发声另一个是反射声则叠加起来时能使声音加强也可能使声音减弱。当两个声波相遇时如果它们的相位相同就会互相加强而如果它们的相位相反则会互相抵消从而减弱如果它们既不完全同相也不完全反相(大多数是这种情况)则叠加之后可能有某种程度的加强或某种程度的减弱。至于声波到达声场某一点的相位如何确定则主要取决于声音所经过的路程(声程)时间延迟(时延)等因素。根据这种情况两个声音叠加时通常它们不会在声场中处处相位相同也不会处处相位相反。假设有两个同样的声源S、S在不同的位置上同时发出相同的声音如图mdash所示则在对称线AB上的所有点两个声音的声程都一样它们将会同相叠加起到互相增强的作用而在另一点C两个声音的声程(声波射线的长度)显然不等如果它们正好相差半个波长则它们将会反相叠加互相抵消这时C点的声音减弱了比单独一个声源发声时的声音还要小而像C点这样的反相叠加点会有无限多个。由此可见有的地方声音加强了有的地方声音减弱了。两个声音叠加使得声场中某些区域声音加强而某些区域声音减弱的现象成为声音的干涉现象。由于干涉现象在声场中会出现ldquo死区rdquo不过这是对纯音而言当两个声源(如音箱)发出复音时则由于复音中各分量的波长不同因而在声场的同一个点复音中的某些分量可能增强而某些分量可能减弱从总体上来看干涉现象将不明显。但对于频带较窄的复音如语言则干涉现象仍不可忽视在那些重要分量被衰减的死区语言的清晰度将会下降。在设计不当的音响工程中常常可见这种现象。图mdash声程不同对叠加的作用四、混响与混响时间.混响声音在室内传播时会在地面、墙壁、天花板上多次反射显然反射声经过的路程要比直射声长多次反射声经过的路程更长。人耳在接收到声源发出的直射声之后还将陆续接收到从四面八方反射来的声音在ms内到达的反射声即所谓的早期反射声是人耳不能区分的它增加了直射声的响度可视为直射声的一部分同样它也增加了音节的清晰度因而是有益的称为有效反射声。而大于ms以后络绎不绝陆续到达的反射声使得声音在室内的传播产生延续即所谓的ldquo交混回响rdquo现象称为ldquo混响rdquo将对后到的直射声产生掩蔽从而降低了声音的清晰度这部分反射声称为无效反射声。自然混响的多少与建筑结构有密切的关系这是建筑声学研究的问题。适当的混响有加强和美化声音的效果因而音响系统还有专门的混响效果器。.混响时间混响现象常以混响时间来表征。从声源停止发声时刻算起在室内可以断续听到反射声音的时间称为混响时间。在技术上一般将声源停止发声后平均声压级自发声的原始值衰减dB所需的时间规定为混响时间T也可以说由直达声到达时起到反射声衰减dB止中间的时间间隔叫混响时间。混响时间是评价厅堂声学特性的一项重要指标也是影响音响工程质量的重要因素。一般厅堂越大形状越规整装饰面材料的吸声系数越低则其混响时间便越长反之混响时间便会越短。厅堂的混响时间可以计算但工程中一般用仪器测定。由于不同频率的声音其反射和吸收特性不同所以混响时间同声音的频率有关通常要测取Hz、Hz、Hz、Hz、Hz和Hz六个频率点的值。要求不太严格时也可只测取Hz、Hz两点或取其平均值。更简单的一般工程只取Hz的值作为代表。没有仪器的时候可站在厅堂中央单击掌聆听余音时间用秒表进行估计。必须注意空场混响同满场(有听众的时候)混响是不同的前者要比后者大得多因为听众是良好的吸声体。优秀的设计要求空场混响同满场混响越接近越好。混响时间太长、太短都不好。混响时间太短则声音显得干涩(俗称ldquo干rdquo)混响时间太长则声音显得含糊不清(俗称ldquo湿rdquo)。干和湿是相对的不同的声音不同的节目对干湿的要求各不相同。如对于古典音乐一般认为其最佳混响时间在~s之间流行音乐在~s之间等。表mdash给出了频率在Hz时混响时间的推荐值可供工程参考。表mdash混响时间T推荐值注:用于语言为主的厅堂为改善语言清晰度混响时间应设计得短一些。混响时间主要取决于厅堂的建筑结构及装修结构当混响时间过长可用吊装吸声体、帘幕、铺设地毯、改变坐席材料等办法来改善。混响时间过短可用加大电声功率和配置ldquo混响器rdquo等电子手段来补偿。但是ldquo改善rdquo和ldquo补偿rdquo都是有限的。一般来说要改善太长的混响时间难度较大不仅要较大的投资而且建筑结构很难作根本性的改变小修小补又难于奏效这对于音响工程来说往往成为一个致命的因素五、语言与音乐的声学特性.语言的清晰度语言听闻条件的最重要指标是语言的清晰度。清晰度可以用听众对预先规定的单音节语音的正确听闻率来表示。音节清晰度大于%为良好小于%就表示听众费力难猜。.频率范围语言的频率范围与人的性别和使用的语种等有关一般在Hz~kHz之间。男性语言的平均基频一般为Hz男低音歌唱家的基频可低至Hz女性语言的平均基频大约为Hz女高音歌唱家可高达kHz且带有许多泛音(谐波)谐波频率可超出kHz。语言能量的频率分布集中在kHz以下以~Hz最强不同语种的标准平均频谱略有不同。音乐的频率范围比语言宽得多一般在Hz~kHz之间音乐的谐波(泛音)成分和结构也比语言复杂得多音色丰富得多。.声压级范围人正常讲话时其平均声功率约为muW在讲话者前方lm处的平均声压级约为dB如果大声叫喊则可达dB距离每增加一倍声压级减少dB。.讲话的方向性讲话者讲话时其正面声音最强背面最弱即有一定的方向性声音频率越高方向性越强。.音量的动态特性一般讲话时音量的动态变化范围约为dB音乐的动态变化范围更大一些节奏变化也更快一些通常约为dB交响乐的音量变化范围可达~dB迪斯科最高声压超出dB飞机起飞时约为dB。六、厅堂的传输频率特性声波在室内传播过程中当遇到界面和障碍物的尺寸比声波的波长大得多时声波将按照几何光学反射定律反射。界面不同反射的结果是不相同的工程中我们总是希望声场能尽量均匀。当声源在厅堂中发声时整个厅堂都会随着发生振动。但是由于厅堂四壁、天花板、地板以及室内陈设对不同频率分量的反射和吸收各不相同所以对不同的频率会有不同的响应。其中有一些分量特别容易激发振动从而会在这些频率上发生共振而在另一些频率上吸收可能特别严重如果共振或吸收频率分布不均匀就会使某些声频分量明显加强某些声频分量明显减弱产生ldquo声染色现象rdquo(频率失真)。小容积短形的房间特别容易发生低频共振染色而形状不规则装饰材料吸音系数大的房间则不容易声染色。声染色现象可以用ldquo传输频率特性rdquo来评价。在理想情况下厅堂对不同频率的响应都应该相同这时其传输频率特性被称为是ldquo平直rdquo的。就是说传输频率特性平直即意味着声音不会被染色或说不会引起频率失真但这是一种理想状态。为了改善厅堂的传输频率特性可以改变厅堂的尺寸比例不规则地配置吸声体或者使用电子均衡器来进行补偿。影响声音立体高保真传播效果的因素还要考虑隔音、吸音、声场和环境几个方面。隔音的目的是为了防止外来噪声的干扰和声场干扰外界吸音的目的是为了减少声场中不必要的混响理想的室内声场分布应该是均匀的室内环境合适是声场分布均匀的重要条件。第四节音质的评价标准这里所说的音质是指听音的质量它主要取决于建筑声学和电声学所造成的声学条件。听音质量可以从下列几个方面加以评判。.响度足够的响度是保证听闻的必要条件(就像足够的亮度是看到优美图像的先决条件一样)。它首先取决于建筑的声学设计即建筑的造型、空间和平面分割以及建筑面的处理。建筑设计应该能够使听众获得尽可能多的有效声能减少直射声的损失尽量缩短声音行程避免有效声被阻挡或被吸收。还可以采用反射面将散失到音场以外的声音充分反射到音场内以提高响度响度需求可参照表mdash用声压级来做近似判断。表mdash计算声压级和平均噪声水平.声场均匀度建筑设计应该使得听音场所在不使用电声手段时就能获得比较均匀的声场分布特别要注意消除回声、双重声、颤动回声以及声聚焦、轰鸣、沿边反射和声影区、声染色等建筑声学缺陷。电声设计应根据音场的空间和平面正确布置扬声设备。安装时应利用各种不同型号、规格的扬声设备的不同指向特性并控制扬声设备的位置、悬点、俯角和它们的功率分配来组织声场尽量使声场均匀。校核声场分布的均匀度时应使观众席声场各点的声压级差值不大于~dB。.清晰度和混响时间保证足够的清晰度也是听闻的必要条件特别是讲堂、会议室等语言听音场所清晰度更是首要的评判指标对于以语言为主的听音场所清晰度应为%以上。清晰度主要取决于建筑物的混响时间混响时间越短则清晰度越高。对于音乐场所适当的混响时间可以增强响度使声音宏亮圆润改善音色各种场所比较合适的混响时间可参看表mdash。.信噪比要提高信噪比应尽量降低噪声的干扰(掩蔽)程度。信噪比可记为:有时也记为:信噪比=信号声压级-噪声声压级为了提高信噪比必须降低噪声噪声的来源主要是环境噪声和电噪声。环境噪声可能来自音场附近的交通车辆和机械运转声乃至场内其它设备的声音和各种人为噪声电噪声可能来自音响设备的噪声、串音、低频交流哼声和各种电磁干扰等。一般要求信噪比为~dB。.系统失真度电声系统的失真度要小。这就要求电声系统应有相当的频率响应范围频响特性要平滑谐波失真要小。对于语言扩声频率范围应在~Hz对于音乐扩声频率范围应为Hz~kHz背景音乐系统其频率范围可稍窄一些。.视听一致性要有良好的声音真实感要尽量使得视听一致最好采用立体声布置。.传声增益传声增益应稳定且不低于mdashdB。传声增益是指观众席上各点与舞台口的声压级之差一般为负值差值越小指标越好。系统可设置均衡设备用以补偿不均匀度引起的传声增益的变化为了提高传声增益还应特别注意抑制声反馈。声反馈是由于声音从扬声器发出后被传声器接收而输至扩音机放大器然后再送至扬声器如此迅速循环的正反馈轻者引起频率失真和混响失真重者将造成啸叫(自激)。.功率储备扩音设备应有足够的功率储备和动态变化范围以满足音乐演奏和演唱中音量的起伏要求及表达剧情和音乐发展的高潮气氛。.调音手段对于级别较高的歌剧院、多功能厅、卡拉OK厅为了丰富音色、美化音质、电声系统应具备可调整的控制条件如选择设置高低音提升网格、高低音滤波器、频率补偿均衡器、混响器、延时器分频器以及噪声增益自动控制器等调音设备。对于规模较大的歌剧院和音乐厅还应具备适应演员纵深移动的声学处理手段。第五节声音的处理在留声机发明之前原发声一纵即逝人们无法听到过去的声音。而留声机则可以把过去后的声音记录下来而且可以反复重放。随着电子技术的发展对声音mdashmdash准确地说是对ldquo声音信号rdquo的处理技术日新月异发展得很快。所谓处理包括声/电变换、记录、修饰、编码、解码、传输放大、电声变换(重放出保真的声音)helliphellip。到目前为止这些处理技术都同电子技术密切相关因而相应的处理设备被称为电声设备。我们所说的音响工程就是根据一定的要求对声音或已经处理过的声音信号进行再处理并重放出来的工程。在这种电声音响的工程中最常见而且最重要的电声处理包括:.声转换为电mdashmdash声音的前期处理为了处理声音通常要先把声音信号转变成相应的电信号(因为我们不便直接处理声音信号)也可以说要先将声能变换成相应的电能以便充分利用现代的电子技术对声信号进行各种必要的处理。现在用来实现声电变换的设备主要是传声器(又称话筒或麦克风)。.电转换为声mdashmdash声音的最后处理为了把经过电子技术处理的声音信号重放出来(最后需要的是声音)必须把ldquo电rdquo转换为ldquo声rdquo(这是音响系统的最终目的)。扬声器和耳机就是常用的电声转换设备其作用正好与传声器的作用相反。而扬声器必须根据一定的原理安置于特定的箱体之内才能充分发挥它的效率和作用这种组合(如用低音、中音、高音扬声器和分频器组合)就是扬声器系统也叫音箱。我们应注意在正规场合(如标准中)则只把组成扬声器系统的箱体称为音箱。.声音的记录和重放mdashmdash声音的过渡处理除音响设备的老前辈留声机外时至今日已有很多更先进的记录声音的办法最常见的是磁带录音机和唱片(密纹唱片mdashmdashLP激光唱片mdashmdashCD)录音。磁带和唱片中所记录的ldquo声音rdquo实际上是经过编码的声音信号。录音磁带和唱片被称为音响工程中的软件它们是最主要的信号源载体。记录在磁带和唱片上的声音信号并非是常规形式的电信号更不是作为机械振动波的声音本身而分别是磁迹和机械刻痕。重放时必须先经录音机或唱机处理才能变成电信号这个处理过程就叫做ldquo播放rdquo。随着技术的进步和人们欣赏水平的不断变化提高音响设备越来越先进各种配置的设备也越来越多功能越来越完善很多场所还要求声音和图像同步音、像信号载于一体这就出现了LD、VCD、CVD、SVCD、DVD、MP等设备。.改善音质mdashmdash声音的修饰处理好像人可以化妆一样声音也是可以修饰的。经过修饰的声音可能同原发声不完全一样但修饰后的声音听起来可能会觉得更加好听、更加舒适或者原发声经过某些处理过程后发生了失真需要进行修饰以求改善。在音响工程中两种情况都会遇到都可以称之为改善音质。声音的这种修饰主要是用电子技术手段对声音信号的音调、音色等进行必要的调节还可以营造混响、回声、重唱等效果。典型的声音修饰设备有:均衡器、效果器、激励器等。音质是音响工程所追求的最重要的目标之一。而重放声音的音质评价涉及到许多因素其中有客观的因素如节目源、音箱、放大器和声场环境的质量等也有主观因素如听众的爱好、欣赏习惯以及修养水平等。由于诸多因素的影响任何一项具体的工程都不可能使上述各种因素都达到最佳而且相容的状态因此工程设计和施工时要因地制宜和因人制宜地对重放声的音质进行修饰不要盲目地追求一切都完美那是做不到的。.调音mdashmdash声音信号的编辑和调度处理所谓编辑和调度包括对各种信号源进行切换、编组以及音量调节、音色调配、引入效果等。电声音响工程中最重要的调度设备就是调音台。在音响工程中所有电声设备必须构成一个统一的、可以现场进行编辑和调度的系统这个系统的核心就是调音台。.扩声mdashmdash声音的放大处理把原发声或经过处理的声音信号放大之后重放出更大的声音来就叫做扩声。为了扩声就需要声电转换、电声转换、甚至修饰、编辑和调度等环节而其核心设备则是声频放大器这是一种利用电子器件放大声音信号的设备一般有前置放大器和功率放大器之分。前置放大器用于小信号放大并有选择、切换信号源的功能。功率放大器简称功放用于放大声音信号的功率以便驱动扬声器重放出声音。独立的前置放大器品种不是很多而常常内置于其它电声设备之中(如隐含于调音台之中)所以通常所说的放大器主要是指功率放大器。在电声音响工程中为了把声音重放出来必须扩声因而必须使用放大器。把经过足够的功率放大的声音信号送人功率足够大的音箱才可重放出足够大的声音。第六节立体声一、听觉中的立体感.立体声的概念我们都知道平面、立体都是几何学概念立体指的是在三维空间中占有位置的事物。那么声音也是立体的吗回答是肯定的。因为自然界中每一个声源都有确定的空间位置声音也有确定的方位来源而人们的听觉又有辨别声源方位的能力而且可以凭听觉感知多个声源同时发声时各种声音在空间的位置分布状况所以说声音是立体的更确凿地说:原发声是立体的。因为当声音经过记录、放大等处理过程后而重放时所有的声音都可能从一个扬声器中放出来这种重放声音就不能说是立体的了。这时由于各种声音都从一个扬声器中播出原来的空间感特别是声音群的空间位置分布感也就消失了。这种重放声叫做单声(Mono)单声没有自然的感觉在某种意义上说是一种失真。如果重放声系统经过特殊处理能够在一定程度上恢复原发声的空间感那么这种重放的声音就叫立体声(Stereo)。由于原发声毫无疑问地是立体的所以立体声一词特指那种有某种空间感(方位感)的重放声。.双耳效应为了在重放声音中恢复空间感我们必须了解人类的听觉系统为什么有辨别声源方位的能力。研究发现人类的耳朵生长在头颅的两侧它们不仅在空间上有一定距离而且受头颅阻隔两耳接收到的声音会有种种差异正是这些差异使人们得以区分声源在空间的位置。()声音到达两耳的角度差由于左右两耳之间有一定距离(即不在一点上)声音传来到两耳的角度就不相同。()声音到达两耳的时间差由于两耳之间有一定的距离因此除了正前方和正后方来的声音之外由其他方向来的声音到达两耳的时间就必然有先后从而造成时差声源越是偏向一侧这个时差就越大。实验证明如果人为地造成两耳听音的时差就可以产生声源偏向的幻觉当时差达到ms左右时就感到声音完全来自于某一侧了。()声音到达两耳的声级差两耳相距虽然不远但由于头颅对声音的阻隔作用声音到达两耳的声压级就可能不同靠近声源一侧的声级较大而另一侧较小实验证明最大声级差可达dB左右。()声音到达两耳的相位差因为声音是以波的形式传播的而声波在空间不同位置上的相位是不相同的(除非刚好相距一个波长)。由于两耳在空间上有一定距离所以声波到达两耳时的相位就可能有差别。耳朵内的鼓膜是随声波而振动的两耳鼓膜振动的相位差也就成为我们判断声源方位的一个因素。实验证明即使声音到达两耳时的声级、时间都相同只改变其相位人类也能感到声源方位有很大差异。()声音到达两耳时的音色差声波如果从右侧的某个方向上来则要绕过头部的某些部分才能到达左耳已知波的绕射能力同波长与障碍物尺度之间的比例有关。人头的直径约为cm相当于Hz声波在空气中的波长所以人头对千余赫兹以上的声音分量有掩蔽作用。也就是说同一个声音中的各个分量绕过头部的能力各不相同频率越高的分量衰减越大。于是左耳听到的声音音色同右耳听到的音色就有差异。只要声音不是从正前方来两耳听到的音色就会不同从而成为人们判别声源方位的又一种依据。()直达声和连续的反射声群所产生的差异由声源发出来的声音除直达声直接到达我们双耳之外还会有经过周围障碍物一次或多次反射而形成的反射声群陆续到达人们的双耳。因此直达声和反射声群的差别也就会提供声源在空间分布上的信息。()由耳廓造成的差别耳廓是向前的显然能使人们区分前后声音另一方面耳廓的结构、形状都十分微妙不同方向上来的声音会在其中发生复杂的效应可以提供一定的方位信息。以上种种的差异以声级差、时间差、相位差三种对人的听觉定位影响最大。但是在不同条件下它们的作用也是不相同的一般地说在声音的低、中频段相位差的作用较大中、高频段以声级差的作用为主对于突发声则时间差的作用特别显著而在垂直定位方面耳廓的作用更为突出。实际上双耳效应是综合性的人们的听觉系统是根据综合的效应来判断声源的方位。还应该指出的是人们的听觉系统除了有响度、音色、方位等感觉外还有其它许多效应。其中有一些是同我们后面所讨论的问题有着密切关系的效应具体如下:优先效应(哈斯效应)当几个同一频率的声音从不同方向传入人耳的时间差小于ms时人耳不能明显判别出各声源的方位而是哪个声源的声音首先传入人耳便感觉全部声音就像是从这个方位传来人耳这种先入为主的聆听感觉特性称为ldquo优先效应rdquo(又称ldquo哈斯效应rdquo)。鸡尾酒效应在鸡尾酒会中人们可以根据自己的口味和喜爱选择所需的食品同样人耳对不同的声源也有选择的功能这是因为人的大脑能分辨出声音达到两耳的时间差、方位差把不需要的声音推到背景杂声中去并选择出所要听的声音这种能单独选取一个声音的现象称为ldquo鸡尾酒效应rdquo。回音壁效应由于声波在传播过程中的特殊反射作用在某个声场中视觉看不到声源而听觉却能听到声音这种现象称为ldquo回音壁效应rdquo。多普勒效应年多普勒先生发现如果声源和听音者间的距离在相对移近的运动中听到的声音比实际声源发出的声音频率升高二者距离在相对增大的运动中听到的声音比实际声源发出的声音频率要低这种现象叫做ldquo多普勒效应rdquo。由实验得知当两个相同的声音其中一个经过延时先后到达人们的双耳时如果延时时间在ms之内则人们将感觉不到延时声音的存在仅能感觉到音色和响度的变化。但如果延时时间超过~ms时(相当于声程差大于m)听音者就会感到有两个声音。如果这两个声音一个是原发声另一个是反射声则后者就是大家听说的回声。掌握了这些双耳效应的原理我们就可利用一些手段来使音响重放出有一定空间感的立体声。二、双声道立体声为了使重放声具有立体感(空间感)原则上是设法制造两耳听音的差别。最好是把两耳听觉的全部差别复制出来但这几乎是不可能的抓住主要矛盾和比较容易复制的差别是声级差、时间差、相位差等几种。理论和实践都证明为了在重放声音中模拟两耳的差别至少需要两个声道:一个左声道L和一个右声道R这种具有两个声道的立体声系统就叫双声道立体声系统。.双声道立体声模型图mdash为双声道立体声录音的一种模型。在原发声场中安置一个假人头在其两侧设置了A、B两只话筒用来模拟人们的耳朵。由A拾取的信号称为左声道信号L由B拾取的称为右声道信号R。L和R显然是不同的具有接近于两耳听音的许多差别。重放时可用耳机把L信号送人左耳把R信号送人右耳。这样就能在很大程度上恢复原发声的立体感由于听音者可能不只一人头戴耳机也不舒适变通的办法是用两只扬声器配置于听音者前方(如图mdash)分别播放L、R信号。但这时不能完全保证L信号只进入左耳R信号只进入右耳重放声的立体感会较为逊色不过实验证明还是可行的。.双声道立体声系统由假人头拾音得到的L、R信号虽然很接近于自然但由于L、R两个信号差异的模式太多(有声级差、时间差、相位差helliphellip等)在记录传输放大等过程中不容易进行无畸变的统一处理。所以现在普遍采用的双声道立体声系统是用另一种模型如图-所示。这种模式采用了一只M话筒和一只S话筒故称MS拾音。M、S两只话筒配置在同一个空间点上但它们具有不同的指向特性。其中S话筒具有字型的指向特性它对正前方和正后方来的声音都没有响应只拾取左、右两侧来的声音而且当声音从左侧来时输出正信号从右侧来时输出负信号。所以给出的S信号相当于左右两侧的声级差即:S=LR(mdash)而M话筒具有圆形的指向特性它对各个方向传来的声音一视同仁用来拾取声场在该点所形成的总体信息所以M信号反映了左方和右方所有信号的总和即:M=LR(mdash)由上两式联立求解可得L和R两个声道的信号即:L=(MS)(mdash)R=(MS)从式(mdash)可看出只须对M、S求ldquo和rdquo即可得到L信号而对M、S求ldquo差rdquo即可得到R信号。从物理学上来说系数仅表示声级的大小其取值只要相同则大一点或小一点都不会影响问题实质。由M、S求解L、R的过程称为ldquo解码rdquo而M、S被称为是对L、R的ldquo编码rdquo。那么怎样解码呢图mdash为由M、S求解L、R的电路模型也就是对MmdashS解码的电路模型。这个电路不难理解把M、S两个信号变压器的二次绕组顺向串联起来显然可得到它们的ldquo和rdquo(即L信号)而反向串联起来便可得到它们的ldquo差rdquo(即R信号)。MmdashS信号经解码之后即可重放这时仍可按图mdash所示的方法配置分别把L、R两个信号从左、右两路扬声器播放出来。由于M、S两个话筒在空间上处于同一个位置所以M信号和S信号中原则上不存在声级差以外的差别是一种纯声级差型的系统。尽管其所包含的方位信息不如假人头模型丰富但由于其差别模式单一信号处理十分方便。M信号和S信号的物理含义是十分明确的。M是单声信息在不必考虑声源方位时我们就是这样拾音的而S是方位信息它反映出左、右两个声道的声级差别。在单声道系统中重放时只须放送M信号。而在立体声系统中适当调节S信号就能修正或调节ldquo声像rdquo(在重放声场中声音的虚像)的方位额外地加重S信号还能补偿由于种种原因造成的方位信息不足操作十分方便。因此现行的双声道立体声系统几乎都是声级差型系统。要特别注意的是在图mdash的播放系统中由左右两路扬声器播出的信号必须是既有差别又有联系的L、R信号才能形成双声道立体声系统如果播放的是同一个信号则不论有多少路扬声器都仍然是单声道系统。此外所谓一路扬声器可以是一个扬声器一个音箱或由多个音箱组成的ldquo扬声器群组rdquo但不论有多少扬声器(音箱)只要播放的是L、R两个信号都属于双声道(而不是多声道)系统。理论和实践都证明在双声道立体声重放声场中有一个ldquo最佳听音位置rdquo该位置大约在与L、R扬声器组成的等边三角形的顶点上。只有该位置才能感受到ldquo无畸变rdquo的声像重现即在听音者的前方(只是前方)声像能按原发声场的方位展开。实际上在不很严格的条件下最佳听音位置的附近区域都可以认为是无畸变的听音区。不过可以肯定重放声场的其它区域是不会有满意的立体声效果的。、立体声的优点与单声道重放声相比立体声具有很多显著特点。()具有各声源的方位感和分布感听音者会明显感觉到声源分布在一个较宽广的范围内能想象出每个声源所在的位置(声像)幻觉中的声像重现了实际声源的相对空间位置就像身临其境。()提高了声音信息的清晰度和可懂度听音者会明显感觉到各个声源来自不同的方位这样各个声源之间的掩蔽效应大大削

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