声学基础理论与听音室装修实例

jincun · 发表于 2010-8-6 09:03:54

声学基础理论与听音室装修实例

最近20余年来，音响发热大体上经历了收录机、组合音响、音响组合、家庭影院等几个阶段。器材自然是越来越高档，不但音质越来越好，让耳朵大饱耳福，而且更有了图像，还让人大饱眼福。

喜欢动手的发热友，最初是制造电子管收音机，后来晶体管诞生了，又转向晶体机。90年代电子管放大器开始兴盛，最近发展势头更猛。

在器材不断升级的今天，一些人已开始留意到听音房间对听音的影响。这是一件值得兴奋的事，尽管有些迟到。

早在听组合音响的1992年，笔者喜得套三房，将16m2的一间做为听音用，自然是要兼客厅和书房了。即使对听音环境有足够的熟悉，也难能装修得更专业些。不过，就当时看来还是满不错的。护墙板、贴壁毯，四周中空吊顶并贴吸声材料、木地板、化纤地毯……也差未几到了应有尽有的地步了。

现在，对房间的重要性我们有了更深刻的熟悉，声学尤其是室内声学知识也更多了，难道可贵的有了更多的实践机会。因此，有必要将自己的一知半解和听音室装修习作介绍给读者以共勉。

一、声波的传播特性

声波是机械振动或气流扰动引起四周弹性介质发生波动的现象，因而声波也称为弹性波。声波志波及的空间范围称为声场。

1、声波传播的衰减特性

客观世界中，任何物质的运动，都要碰到阻力，声波的传播也不例外。声波在空气或其它介质中传播的，由于介质质点运动，受到磨擦而将一部分动能转化为热能，这种现象就是介质对声能的吸收。实验证实，这种吸收损耗在很大程度上与声波的频率有关。频率越高，质点的振动越快，质点之间的运动磨擦越剧烈，产生的热量越多，所以高频声比低频声的衰减快得多。在空气中，吸收损耗与声波频率的平方成正比。这也是尽大多数吸声材料对高频声吸收效果比对低频声吸引效果好得多的原因。打靶的枪声含高中低成分，在枪四周听，声音较清脆，远处听时，声音变成低沉的“噗噗”声，就是在传播的过程中，高频衰减厉害，而只剩下空气吸收较小的低频声的缘故。听雷声也有相似的感觉。

在无穷大空间和均匀的介质中，点声源声波以球面波的形式向四周传播。某点的声强与该点至声源的间隔平方成反比。而声压与该间隔成反比。

2、声波的传播速度

当空气的湿度和温度不变时，声波在其中的传播速度是常数。空气中的声速公式为：

式中，t—空气的温度（℃）

根式是利用台劳级数展开，取前两项（即近似式根式1+x≈1+1/2x，当x＜＜1时），从而得到后面的近似式的。

在不同介质中，声速是不相同的，而且往往相差很大。例如，常温下声音在氧气中的传播速度是326.5米/秒，在水中为1483变/秒，在铁中为4710~5100米/秒，在花岗岩中为6400米/秒，在0℃的橡胶中为30~50米/秒。常温下，空气中的声速为344米/秒。

设声波的波长为λ，频率为f，周期为T，声速为c，则有：

c=λf=λ·1/T

3、声波的反射、折射和衍射

当声波碰到刚性障碍物时，声波会被反射回来。进射角即是反射角，这就是声波的反射定律。
当声波传播过程中碰到凹凸不平的障碍物时，由于界面不再是连续的平面，向前传播的声波不能互相叠加，向后传播的声波也不能互相抵消，所以不能形成清楚的回声，这种情况叫做声波的散射。充分利用这种散射现象，可以改善听音质量。

声波传播过程中由一种介质进进另一种介质时，由于两种介质的传播速度不同，声波将在这两种介质的界面处改变传播方向，发生偏折现象，这种现象叫做声波的折射。假如声波在不均匀的同一介质中传播，也会出现折射现象。

所谓衍射，是由于介质中的障碍物或其它的不连续而引起的波阵面畸变现象。衍射旧称“绕射”。这种现象与障碍物或孔隙的大小有关。假如孔隙或障碍物相对于声波的波长较小，在不高的围墙外能听到围墙内的声音等，都是由于声音衍射现象而造成的。但当孔隙或障碍物的尺寸比波长大得多时，衍射现象就不明显。此时声波可以顺利通过孔隙而不发生衍射现象。障碍物就不明显。障碍物很大时，声波不轻易绕过往，从而障碍物背后很刺耳到声音。

不同频率的声波，对同一障碍物或孔隙也有不同的反应。简单地说，频率较低的声波较易以衍射的方式越过或穿过往，而较高频率的声波则将产生明显的反射现象。这也是低频声易传远而高频声不易传远的原因之一。比如邻居家放音，你在走廊上听到的主要是低频声，而高频声感到很弱，尽管他的音响器材是高保真的。

jincun · 发表于 2010-8-6 09:04:12

4、声波的干涉现象

设A、B代表两个相同的频率、相同振幅和相同相位的点声源。我们根据惠更斯叠加原理，来研究介质中任一P点处质点在声波作用下的运动情况。假如AP-BP是半波长的偶数倍，那么由A与由B声源来的声波在P点同相，互相叠加，振幅比每个单独的波动增大一倍。假如AP-BP是半波长的奇数倍，那么两个波动正好反相，互相抵消，在P点就没有扰动。AP、BP分别为A、B点到P点的间隔。

图1中的同心圆的圆心位于两个点声源A、B，表示A与B发出的声波的波阵面，实线代表压缩状态，虚线代表稀疏状态。两者的压缩交点或稀疏交点（即实线与实线、虚线与虚线的交点）M表示振幅相加的那些点，图中实线与虚线的交点m则表示压缩与稀疏互相抵消。用粗实线把极大值诸M点连起来，用虚线把极小值诸m点连起来。这两条线之间的那些点的振动状态处于二者之间，这种现象称为干涉。空间声波分布图04做干涉图案。显然，干涉图案是立体的。
声学基础理论与听音室装修实例
能够产生干涉的两个波动称为相干的，不仅同相的两个波动能产生干涉，不同相的两个同频率的波动之间的相位是固定时，它们也会产生干涉，不过干涉的图案不同罢了。

假如某个礼堂由两个扬声器放音，那么坐在不同位置听到的声音就会不一样。离扬声器近的地方声音不一定比离扬声器的地方啊。假如安装的扬声器数目较多，这种干涉现象就会明显减轻。立体声电影院安装多只扬声器就起到这个作用，不过其主要目的还是增强立体声效果以改善音质。

发热友的听音室台的“天子”（最佳听音位置）从图中也不难找到，是在两音箱连线的垂直平分线上。

5、驻波

驻波是干涉的一种特殊情况。当两个频率相同、振幅相等、方向相反的正弦波同时存在时，由于它们的叠加，就变成了不传播的驻波。此时空气的某些质点由于两个声波的振幅相反叠加后为零而不运动，振幅为零，称为波节；而另一些质点在其中心位置振动，振幅最大（即是两个声波的振幅之和），称为波腹。在波节和波腹之间的各点，质点运动规律处于波节、波腹之间。由此可知，当某声波在两个平行的硬平面之间传播时，就可形成驻波，而硬墙面处正是驻波的波腹所在之处。

二、人的听觉特性

1、人耳对声音强弱的感觉特性

人耳对声音强弱的感觉特性并不与声压（或声强）成正比，而大体上是与声压（或声强）的有效值的对数成比例。这是由人耳的构造所决定的。客观世界中，声压（或声强）的差值竟达1012的数目级，即1万亿倍。让人耳区分1万亿倍的“声压”并能承受这1万亿倍的变化显然是不可能的，好在生物进化论帮了人类的大忙，赋予人类听觉的特殊的功能，这种功能由韦伯的著名定律所描述：人的感观对外界刺激大小的反应是遵从对数律的。听觉器官也是这样。举例说，声压（或声强）增加为原来的100倍，我们感觉到强弱的程度只增加为原来的2倍。这样，1万亿倍的客观存在的声压差，我们主观感觉只有12倍的强弱差别。

经测定，一般正常年轻人在中频四周的最小可听极限声压为20μPa，这就是取此为基准声压的理由，这个最小可吸极限声压，称为听阈。此时声压级定为0dB。当声压达到20Pa时，声压级为120dB，人会感到不舒服，称20Pa为痛阈（1Pa=1N/m2，记为1Pa。105Pa≈1大气压=1.013巴≈1巴=106微巴，1微巴=0.1帕=1达因/cm2）。当声压达63帕（130dB）时，耳内会有痒的感觉。200帕时，耳内会感到疼痛，此时声压级为140dB。声压级再升高，会造成耳内出血，甚至听觉机构破坏。

规定了声压级LP=20lgP/P0（P0为参考声压，取听阈2×10-5Pa）后，听阈声压至痛阈声压的100万倍的巨大变化范围就转换为0至120dB的微小变化范围了，给我们表示声压带来了很大的方便。

2、响度

响度是听觉判定声音强弱的属性。响度主要依靠于引起听觉的声压，但也与声音的频率和波形有关系。响度的单位是宋（Sone）。国际上规定，频率为1000Hz、声压级为40dB时的响度为1宋。任何一个声音的响度假如被听者判定为1宋响度的几倍，这个声音的响度就是几宋。1宋即是1000毫宋，1毫宋约相当于人耳刚能听到的声音响度。

3、人耳对声音频率的感觉特点

人耳对声音频率的感觉表现为音调的高低（音乐中简称为“音高”），音高与频率的关系也遵循对数律。

人耳的灵敏度随声音频率的变化而变化。同样声强的两个音，由于频率不同，引起人耳的感觉不同，这种强弱的差异甚至能很大。为适应人类听觉的音高对数规律，也为了方便计量，表示频率的坐标经常采用对数刻度。

为了说明人们听觉对频率不同的反应，现将达到同样响度级（40方）的频率、声压对应关系摘列如下：

频率(Hz)	4000	3000	1000	500	300	200	100	50	30	20
声压级(dB)	34	33	40	38	39	45	51	66	76	88

由以上数据可见，要想使20Hz与4000Hz的声音听感一样响，20Hz的声压级要比4000Hz的声压级高88-34=54dB之多。可见，人耳对声音响度的感觉随频率的不同相差很大，这也是音响器材经常感到低音不足的原因之一。因此，笔者一贯的观点是尽量听大一点的音箱放音。

jincun · 发表于 2010-8-7 09:47:39

4、人类听觉的掩蔽效应

声学欧姆定律指出：音品（音色）的实质是人耳能把复杂的振动分解成一系列的简谐振动，这些简谐振动，即每一个频率分量都会在我们的听觉中引起一定的感觉。实践证实，这个定律只有在一定范围内才能成立。比方某一个频率的声音很响。而另一个频率的声音很弱，尽管后者的声强也远远超过了听阈，但这时我们只能听到很响的那个声音，而较弱的声音被很强的声音掩蔽了。

实验研究证实，对于纯音，一般低音轻易掩蔽高音，而高音较难掩蔽低音。

5、人类听觉的延时效应

实验表明，当几个内容相同的声音相继到达听者处时，听者不一定能分辨出是几个先后来到的声音。就是说，人的听觉对延时声的分辨能力是有限的。这种现象即人类听觉的延迟效应，也称“哈斯（Hass）效应”。

6、人耳听觉的非线性

理论分析与实验都证实，人类的听觉系统如同一些电声设备系同一样，并不是完全线性的。声音信号被人类听觉非线性“加工”，正是听觉系统在强烈声音来到时的一种保护性反应，也是音乐中的“和声学”与器乐配器法的生理基础。例如，甲乐器和乙乐器演奏某个和声时，人们会感到这种组合声音既不像甲乐器的，也不像乙乐器的，而是另外一种新奇的听觉印象。至于更多的乐器演奏更复杂的和声，则听觉印象就会更异样。就是同一种乐器的和声，我们感到的韵味也不同于单音的。这是由人类听觉的非线性造成的。这种听觉的非线性现象，经常被作曲家巧妙地利用。我们知道，着名作曲家几乎没有不会弹钢琴的（柏辽兹除外），为什么呢？你要作曲，须知各种和弦的韵味，这就需在钢琴上试奏，只有经反复琢磨与试听才有可能配出好的和声（莫扎特似乎有点例外）。

也正是由于人类听觉系统的非线性，人的听觉对电声系统的非线性畸变的察觉能力也就是有限的了。只要电声系统的非线性畸变小到一定程度也就听不出来。个人的听觉系统对非线性畸变的察觉能力不但与本人的听觉天资有关，也与“听觉经历”有关。天才音乐家和练习有素的电声工作者，他们的察觉能力会比一般人敏感得多。因此对高级电声设备必须严格限制其非线性畸变，以便得到高保真度效果。

7、听觉定位

人耳的一个重要特性是能够判定声源的方向和远近。人耳判定声源的方向相当正确，但判定远近的正确度较差。

听觉定位特性是由双耳听闻引起的。声源发现的声波到达两耳时，会产生时间差与强度差。人耳就是根据这两种差别进行听觉定位的。通常当声音频率高于1400Hz时，强度差起主要作用；而低于1400Hz时，时间差起主要作用。

人耳对声源方位的辨别，在水平方向上比竖直方向上要好。在声源正前方，即水平方位角为00，一个正常听觉的人在安静无回声的环境中可辨别10~30的水平方位的变化，在水平方位角00~600范围内，人耳有良好的方位辨能力，这也许正是人们用高保真器材听好唱片能“数人头”的理论根据。当超过600时，这种辨别能力迅速变差。

8、听觉疲惫和听力损失

人们在强声压环境里经过一段时间后会出现听阈进步的现象，即听力下降。假如在安静环境中停留一段时间，听力就能恢复。这种听阈暂时进步，事后可以恢复的现象称为听觉疲惫。假如听阈的进步即听力下降是永久性的、不可恢复的，则称为听力损失。一个人的听力损失通常用他的听阈比公认的正常听阈高出的分贝数表示。

人耳的灵敏度通常随年龄的增长而降低，尤其对高频的降低更快，而且男性对高频的灵敏度随年龄增长而降得比女性快。

表1是ISO提出的不同年龄的均匀听力损失（以25岁青年的听阈为参考标准）。

频率年龄 6 D1 K- p$ _6 }& g* S, u! u	纯音频率（kHz）
频率年龄 6 D1 K- p$ _6 }& g* S, u! u	1	2	3	4	6	8	12	15
30	0	0.4	1.2	1.9	2.4	2.5	5.0	10.2
35	0	0.7	2.2	3.5	4.5	4.7	9.3	18.9
40	0	1.2	4.0	6.4	8.2	8.6	17.0	34.2
45	0	1.7	5.6	9.0	11.5	12.1	23.9	48.5
50	0	2.0	6.5	10.5	13.4	14.1	27.8	56.2
55	0	2.2	7.2	11.5	14.7	15.4	30.5	61.9
60	0	2.3	7.7	12.2	15.7	16.7	32.6	65.9

从表中不丢脸出，随着年龄的增长，对高频声“耳聋”得越厉害。

9、强声暴露对听觉的危害

强声暴露对听觉的危害分三种情况：

第一种是声创伤，指在一次或数次极强声波暴露中造成人耳器官组织的损害。声创伤总是要造成一定程度的永久性听力损失，严重的会导致全聋。

第二种是暂时性听阈进步，即产生听觉疲惫。暂时性听阈进步值随声级增加和暴露时间增长而增大。

第三种是永久性听阈进步。假如长年累月处在强噪声环境中，听觉疲惫难以消除且日趋严重，会造成永久性听阈进步即听力损失。ISP1999规定听力损失25dB作为听力有损伤的标准。通常长期处于90dB（A）以上噪声环境中就会引起听力损失，而且随声级的增加听力损失迅速增大。

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