声波传播特性及人耳听觉特性

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1、第一章声波的传播特性及人耳的听觉特性第一节声波的传播特性声波是由物体振动产生的,当振动在一定的频率和强度范围内时,人耳就可以听到.振动发声的物体称为声源,有声波传播的空间称为声场.当声源在空气中发声时,媒质也产生振动,于是,振动形成波动,在空间传播开来,在声源周围形成疏密交替的空气压力波,即声波.在15摄氏度时,大约以340米/秒的速度由声源向外传播.气体中的声波属于纵波,即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上.尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球面扩展的,波阵面为球面,这种声波称为球面声波.这种声源称为点声源.现实中的声源,即使具有一定的尺寸

2、,但在距离与声源尺寸相比充分远时,也可将它看作点声源,在这样距离里处得到球面声波.当距离远到一定程度时,波阵面即与平面声波的波阵面相接近,可看做平面声波.一、声波的反射声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波波长的坚硬界面,会产生反射.声波从界面反射的角度与声波入射到界面的角度相等,即反射角等于入射角.反射的声波如同从界面后面与声源相对应位置处发射出来的一样,即如同在该位置处有一声源,称为虚声源,也称为镜像声源,它与界面的距离等于声源与界面的距离,如图1-1所示.当声源在一个凹界面前,声波会产生聚焦,如图1-2所示.对于播音室来说,为了良好扩散,应避免凹界面

3、.当声源在一个凸界面前,声波会产生扩散,如图1-3所示.播音室中经常采用凸面结构,以增加声波的扩散,使声场中声能密度均匀.二、声波的干涉由几个声源产生的声波,同时在同一媒质中传播时,如果几个声波在某点相遇,在相遇处媒质质点的振动将是各个声波所引起的分位移和矢量和,就是声波的叠加原理.也就是说,每个声波都独立地保持自己原有的特性(如频率、波长、振动方向等).因而,几种乐器同时演奏或几个人同时说话时,我们也能分辨出各种乐器和各个人的声音.两个声波传到媒质中的一点时,如果两声波在该点产生的振动是同相的,则这点的振动会加强;如果两声波在该点产生的振动是反相的,则该

4、点的振动就会相互减弱或抵消.当两个频率相同,振动方向相同,相位相同或相位差恒定的声源所发出的声波叠加时,会使某些点的振动加强,某些点的振动减弱,甚至被抵消而不振动,这种现象称为声波的干涉现象.产生干涉的声波称为相干声波,相应的声源称为相干声源.当一个声源处于两个具有很小吸声性能的平行界面之间时,垂直入射的声波与反射声波会产生干涉现象,干涉的结果在空间形成振幅分布恒定不变的振动,这种情况称为驻波.两个频率相近,强度相差不多的声波相遇时,由于两者间的相位差时刻在变化而使叠加后的声波振幅做周期变化,合成的声波会在时间上有强弱的变化,这种现象称为拍.振幅变化的频率

5、等于原来两个频率之差,称为拍频.三、声波的衍射和绕射由于媒质中的障碍物或其他不连续性而引起声波波阵面畸变的现象称为衍射(或绕射).如图1-4所示,当声波在传播过程中遇到有小孔的大障碍物时,如果小孔宽度大于声波波长,声波将从小孔穿过向前传播;如果小孔宽度小于声波波长,则在障碍物的另一侧的声波有如一个以小孔为中心的新的声源发射的声波.当声波的波长远大于障碍物尺寸时,声波可绕过障碍物向前前进;当声波的波长远小于障碍物尺寸时,声波会被反射一部分,并在障碍物后面形成一无声区.四、声强声波的强度可以用声压幅度表示.如果声源是一个点声源,在距声波不太远的范围内,声波的波

6、前为球面,声压幅度将与距离平方成反比.如果声源很大,或离开声源很远,则声波波前为平面,声压幅度就不随距离远近而变化,而是保持一个恒定大小.在实际中,由于空气对声波的吸收,声波的能量会逐步损失,直至使声压幅度为零.第二节人耳的听觉特性一、人耳的听觉器官图1-5为人耳的剖面图.它分为外耳、中耳和内耳三个部分.1.外耳由耳廓(耳壳)和外耳道组成.耳廓起收集和向外耳道反射声音的作用,外耳道将声音传送给中耳.外耳道的自然谐振频率约为3400Hz,由于外耳道的共鸣,以及人头对声音产生的反射和衍射,使得人耳对2~4Hz的声音感觉约可提高15~20dB.2.中耳由鼓膜和三

7、块听小骨组成.鼓膜是一个漏斗状的薄膜,声波激励鼓膜振动,并将振动传给三块听小骨.听小骨具有一些非线性,使人们对一个频率的声音能产生出它的谐音的感觉.3.内耳由三个半规管和耳蜗组成.耳蜗呈螺旋形,状似蜗牛,是一骨质腔体,内部充满淋巴液.耳蜗沿其长度被基底膜分为两部分,分别称为前庭阶和鼓阶.在基底膜上分布有大量毛细胞,每根毛细胞上都连有末梢神经.人耳听音的详细过程如下:声音经过耳廓和外耳道到达鼓膜,使鼓膜产生相应的振动.鼓膜的振动经类似杠杆系统的三个听小骨放大后,传到耳蜗的卵形窗,并传递给耳蜗内的淋巴液.耳蜗通过大约4000根神经末梢与大脑相连.耳蜗是一选频器

8、官.高频声音激励靠近卵形窗的神经末梢;中频声音激励中部的神经末梢;