声学基础及其原理

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1、在我们的生活环境中会遇到声强从弱到强范围很宽的各种声咅⑸。如此广阔范围的能量变化直接使用声功率和声压的数值很不方便，而用对数标度以突出其数量级的变化则相对明了些；另一方面人耳对声音的接收，并不是正比与强度的变化值，而更近于正比与其对数值，由于这两个原因，在声学屮普遍使用对数标度来度量声压、声强、声功率，分别称为声压级、声强级和声功率级，单位用分贝(dB)來表示⑴。2.1声压级将待测声压的有效值几与参考声压代的比值取以10为底数的常用对数，再乘以20。即：P爲二20H(dB)(2.1)在空气中，参考声压几规定为2x10"帕，这个数值是止常人耳对1000Hz声音刚能够觉察到的最低声压值。式(2.

2、1)也可以写为：4=201gp+94(dB)(2.2)式中P是指声压的冇效值由于声学屮所指的声压一般都是指其冇效值，所以都用门来表示声压有效值几.人耳的感觉特性，从可听域的2xl05帕的声压到痛域的20帕，两者相差100万倍，而用声压级表示则变化为0T20分贝的范围，使声音的量度大为简明。2.2声强级：为待测声强/与参考声强人的比值取以常用对数再乘以10,即：Z^lOlg—(dB)(2.3)I(在空气中，参考声强人取以10-12W/m2这样公式可以写为:A=101g"120(dB)(2.4)2.3声功率可以用“级”來表示，即声功率厶，为:(2.5)Z#=101g—(dB)这里〃是指声功率的

3、平均值廉，对于空气媒质参考声功率必=10"卿，这样式子可以写为:(2.6)厶=101gW+120(dB)由声强与声功率的关系I=R7S,S为垂直声传播方向的面积，以及空气屮声强级近似的等于声压级，可得：w11"心TT=101g-W%1%A)s(2.7)将必=1O»W,Z,=10_12W/m2代入，可得:Lp=L,=LW-lOlgS(dB)(2.8)这就是空气屮声强级、声压级与声功率级之间的关系，但应用条件必须是自由声场，即除了有源发声外，其它声源的声咅和反射声的影响均可以忽略。在口由场和半自由场测量机器噪声声功率的方法的原理就是如此。声压级、声强级、声功率级的定义中，在后两者对数前面都好似乘

4、以常数10,而声压级对数前面乘以常数为20,这是因为声能量止比于声强和声功率的一次方，而对声压是平方的关系。如声压增加一倍，声压级和声强级增加6分贝，而声强增加一倍，声压级和声强级增加3分贝⑸。对于一定的声源，其声功率级是不变的，而声压级和声强级都是随着测点的不同而变化的。专门的研究表明，人耳对于不同频率的声音的主观感觉是不一样的，人耳对于声的响应不单纯是物理上的问题了。为了使人耳对频率的响应与客观声压级联系起来，釆用响度级来定量的描述这种关系，它是以1000Hz纯音作为基准，对听觉正常的人进行大量比较试听的方法来定出声音的响度级的，它的定义是以频率为1000Hz的纯音的声压级作为其响度级。

5、也就是说，对于1000Hz的纯咅，它的响度级就是这个声咅的声压级，对频率不是lOOOIlz的纯咅，则用lOOOHz纯咅与这一待定的纯咅进行试听比较，调节lOOOHz纯咅的声压级，使它和待定的纯音一样响，这吋lOOOHz纯音的声压级就被定义为这一纯音的响度。响度级记为厶，单位是方（phon）。对各个频率的声音都做这样的试听比较，把听起来同样响度的个相应声压级按频率连成一条条曲线，这些曲线就称为等响曲线。如图2.1：Fig・2・1thesurveofequalsound由等响曲线可以得岀各个频率的声音在不同的声压级时人们主观感觉岀的响度级是多少。从频率上看，人耳能听到的声音在20-20000HZ

6、的频率范围内，低于20Hz的叫次声，高于20000Hz的叫超声。另一方面，即使在20-20000HZ的芦频范围内也不是任意大小的声咅都能被人耳所听到，在图2.1中的最下面的一根虚曲线表示人耳刚刚能听到的声音的强弱，其响度级为零方，低于这根曲线的声音人耳是听不到的；图上最上边的曲线是痛觉的界限超过此曲线的声音人耳是听不到的，感觉到的是痛觉。从曲线中可以看出，人耳能感觉为声音的声音的声能量范围达到10"倍，相当于120分贝的变化范围。响度级也是一种对数标度的单位，不同响度级的声音不能直接进行比较。声音想的程度叫做响度使它能与正常听力对声咅倾向的主观感受量成正比，也就是说响度加倍时，声音听起來也家

7、倍的响。由等响曲线可以看出，人耳对于高频声音，特别是对于1000-5000HZ的声晋比较敏感，而对于低频声晋，特别是100H刁以下的口J听声不敏感。即声压级相同的声咅由于频率不同所产生的主观感觉不一样。为了使声咅的客观量度和人耳听觉主观感受取得一致，在测量声咅的仪器上都装置了对频率的计权网络，即加上一个滤波器，对所接到的声音按频带设一定的衰减来模拟人耳的听觉特性，一般这种计权网络冇A、B、C三种，用计权网络测