声学和扬声器基础知识教学大纲.doc

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1、声学和扬声器基础知识教学大纲声学和扬声器基础知识教学大纲一、要求:掌握音频声学的基础理论和电磁机械学中与喇叭有关的基本知识,了解扬声器测试的要求和 T/S 参数的计算的原理和方法.二、文化基础要求:高中三、内容与学时安排：第一章 音频声学基础1.1 声波的产生1.2 描述声学的物理量1.3 声级,分贝及运算1.4 声波的传播特征第二章 人耳听觉特征2.1 响度与频响曲线2.2 音调与倍频音程2.3 音色2.4 波的分解,付氏解析法2.5 失真与失真察觉2.6 哈斯效应2.7 屏蔽效应第三章 电、磁、机械振动基础3.1 电学基础知识3.2 磁场与电磁感应3.3 交流电路中的电容3.4 交流电路中

2、的电感3.5 复阻抗3.6 谐振电路3.7 机械振动3.8 电机类比第四章 扬声器结构与参数测试4.1 喇叭结构,名称(磁场,间隙,短路环,音圈,锥盒,指向性,防尘帽,音架,弹波,边,磁流液)4.2 Thiele 和 Small 参数测试类比电路图4.3 扬声器阻抗曲线及其物理解释4.4 阻抗测试4.5 质量测试4.6 BL 测试,力顺测试4.7 品质因素 Q 的计算4.8 等效容积 Vas 的计算4.9 效率与灵敏度的测试4.10 扬声器基本参数及 T/S 参数汇总4.11 基于 PC 的扬声器测试信号,相位,clio, Sound check,Klippel, LMS.第五章 音箱,分频器

3、的设计计算5.1 音箱的设计5.2 无限平板上的喇叭负载5.3 封闭音箱中的喇叭5.4 填充物的作用5.5 倒相音箱的设计和计算5.6 分频器的种类与计算第一章第一章 音频声学的基础音频声学的基础1.1 波动和声波波动和声波1.1.1 波动的数学描述波动的数学描述振动产生波，如绳子的振动能量以波的形式传播。常用绳子多点的位移来描述绳子波的传动，一个波动可用正弦函数来表示。正弦函数：y =Asin A 为最大振辐 （m）为角度 (相位角)。在 x-y 坐标系里，若 x 代表角度，y 代表振幅，画出的波形图叫正弦曲线。一般在电学、声学里，角度都用弧度表示：2=360 度，/2 = 90 度。有时，

4、x 轴取为时间，y 轴为振幅，则可表示振幅随时间的变化，这时，正弦函数要写成：y =Asin(t) 叫角频率 = 2/TT为振动一次所需的时间，又叫周期。当 t = T, t = 2; 当 t = T/2, t = , 当 t = T/4, t = /2所以 t就相当角度。T 的倒数，1/T = f, 叫频率，表示单位时间(1 秒)震动的次数。有时， x 轴取为距离，y 轴为振幅，则可表示振幅随距离的变化，这时，正弦函数要写成：y =Asin(x) 叫角频率 = 2/ 为振动一次所的长度， 又叫波长。 x 就相当角度。在使用表达式y =Asin(t) 的时候，往往碰到在 t = 0 时振幅不为

5、 0 的情况，这时，要把表达式改写成 y = A sin(t + )， 角可正，可负。也常把它称为相位角。周期 T, 波长和频率 f , 它们之间的关系是： f=1/T,（波速） C =/T =f = C / f如：1Hz声波波长为 344m10Hz声波波长为 34.4m100 Hz 声波波长为 3.44m1000Hz声波波长为 0.344m1.1.2 声波的形成声波的形成(波的形成和传播)横波:振动方向与传播方向垂直纵波:振动方向与传播方向平行声波是一种纵波例如，受活塞作用,空气密度增加,压力加大,增大的压力在管内传播,就形成波动,在声波传输的介质里的某固定点，压力随时间的变化可写成:P =

6、P0sin(t + )P0代表空气密度增加时，气压的最大增量。1.2 描述声波的物理量描述声波的物理量1.2.1 声压声压 Sound Pressure声波的传播就是大气压增压在弹性介质(空气)中的传播。P = P0sin(t + )P0为声压振辐 ，单位是帕斯卡 Pa (N / m2)一个大气压为 1.0325*105Pa即1000 hPa。与交流电一样,常用有效值（RMS） （Root-Mean-Square）表示声压. 如果声波的最大振幅为P0，Prms = 0.707 P0,即 2/2 P0以后我们提到声压如无特殊说明,都是指声压有效值. 人耳能分辨的最低声压为20 Pa (当频率为

7、1000Hz 时)两人面对面交谈声压为 2*10-2Pa织布车间噪声声压为 2Pa 20Pa 时,人耳有痛觉最低声压 20Pa 是由弗来彻和芒森确定的(1000 Hz),500 Hz 时,还要低,当频率超过 1000 Hz 时,灵敏度会提高,最灵敏的频率是 3.5K Hz1.2.2 频率频率 f声源每秒振动的次数称频率,单位是 Hz,声音的频率可听范围是 20Hz - 20kHz 20000Hz 为超声1.2.3 声速声速声音可在不同介质中传播。固、液、空气，速度在不同介质中不同。速度: 固体 液体 气体在空气中,声速 c = 331.6 + 0.6t (m/s),此处 t 指环境温度。可见

8、15 度时,c 为 340 m/s 左右.声速与空气质点运动速度是不同的概念，大声说话时，声压为 0.1Pa, 质点的运动速度是 p/(0C0) 为2.5*10-4 m/s.空气的0C0为 415 N.S/m3,1.2.4 波长声波在传播过程中,相邻的同位相之间的距离为波长。C, f, 的关系为:C=*f空气中声音是非色散波(不同频率波速相等),因此,频率与波长成反比,频率低的波长长.1000Hz 波长 0.34 m100Hz 波长3.4m10Hz 波长34m1Hz 波长340m不同波长传播时会发生不同物理现象.当遇到障碍物时,障碍物线度比波长小,会有绕射发生,声波可自由传播.当障碍物与波长相

9、当时,发生散射,在声波入射方向散射波声强增加.其他方向减弱,出现指向性.当障碍物线度 波长,声音被反射回去,障碍物后出现声影区.1.2.5 声强声音的传播是空气质量在平衡位置附近来回振动的能量(动能和势能)的传播.常用声强来定量描述声能的传播.定义:单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的平均能量.用 I 表示，单位：W/m2.(N*s/ m2)I 是矢量,有大小和方向.I 与声压的关系与声压的关系:I = P2/(0C0)0是声传波媒体的密度，空气密度为： 0=1.21 kg/ m3（在 20 度时）C0是声传波的速度, 当温度为 20 度，C0为 344m/s.0C0在声学里是一个非常重要的

10、概念,称为媒体的特性阻抗特性阻抗， 当温度为 20度，C0为 344m/s, 0=1.21 kg/ m3,空气的0C0为 415 N/s.m2对水来说，密度为 1000kg/m3, 声速为 1480m/s, 0C0为 1.48*106N/s.m2声波碰到特性阻抗不同的媒体的界面，会发生反射。一个球面的震动体(喇叭可近似看成球面一部分)在向外辐射声音时,会受到声音的反作用力,称为辐射阻抗辐射阻抗,它可写成:R =0C0*S,此处 S 是辐射面的面积,这在以后当讨论压缩驱动器 (Compression Driver) 时要涉及到.1.2.6 声功率声源在单位时间内辐射的总的声能量叫声源辐射功率（即

11、声功率声功率）,单位 W。声功率很小,人讲话 20W , 扬声器由电功率转换为声功率,效率仅为千分之几。若一点声源在自由空间辐射声波,与点声源距 r 的球面上,声强 I 都相同。则 W=I*4r21.3声级、分贝及运算人耳感受到的声压,从20Pa一直到有痛感的20Pa,跨越了106倍,即100万倍。人耳的“感觉响度”与强度，或声压有关。听觉响了一倍，实际上强度大了十倍，所以更接近于与强度的对数成正比。因此在声学中,常用对数坐标来表示声压，声强和声功率。复习-对数，对数是指数的逆运算。y = axlogay = x（称为：x 是 y 以 a 为底的对数）以 10 为底的对数叫常用对数，以 e=2

12、.73.为底的叫自然对数。100 = 102log10100 = 2对数运算法则：log(a*b) = log a + log b例如：log 2*100 = log2 + log 100 = 0.3010+2 = 2.3010log a/b = log a log b例如：log 1000/100 = log 1000 log 100= 3 2 = 1logAx= x* logA例如：log 1002= 2* log100 = 4log 1 = 0 因为A0= 1log 1/100 = log 1 log 100= 0-2 = -2对数尺度对数尺度： 把某一量取对数以后标在线性尺度上叫对数尺

13、度 logarithmic scale.123456101001000100001000001.3.1 分贝上世纪初，贝尔 （Bell）发明电话，当信号经过放大器，信号功率增加/减少的对数就是贝尔，Bel.Bel.无单位，如输入 1W，放大后为 2W.Bel = log(2w/1w)=0.301031/10 贝尔定义为分贝，贝尔定义为分贝，decibel(dB)。所以,增加了一倍,即增加了 10*lg(2/1)=3.0103 dB,即增加了 3 分贝.没有增益 10*lg(1/1) = 0 dB.若不是增加,而是减少了为原来的一半,10lg(0.5/1) = 10 lg(1/2) = 10*(

14、0-0.3) = 10 *-0.3 = -3 dB三个重要的数字:+3 dB =2*.+10 dB =10*.0 dB =1*.所以,若0 dB 1W3 dB 2W6dB 4W9dB 8W10dB 10W12dB 16W20dB 100W30dB 1000W33dB 2000W-10dB 0.1W,-2OdB 0,01W-30 dB 0.001W（即：每增加三个（即：每增加三个 dB，则输出增加为输入的，则输出增加为输入的 2 倍。倍。1.3.2 声压级声压级. Sound pressure level.(SPL)声压级定义： 声压的有效声压的有效值值 P 与基准声与基准声压压 P0之比之比取

15、取 10 为底的对数再乘为底的对数再乘以以 20。即Lp = 20*lg(P/P0)(dB)P0=20Pa=2*10-5Pa例如,喇叭 A 比喇叭 B 声压大了一倍,问声压级提高了多少分贝?Lp = 20 lg( Pa/Pb) = 20* lg 2 = 6 dB.计算声压级的时候，要乘 20，是因为声功率与声压的平方成正比声功率与声压的平方成正比。即声压增即声压增大一倍（为原来的二倍大一倍（为原来的二倍） ，声功率为原来的四倍，声功率为原来的四倍（就像电压增大为原来的二倍，电功率为原来的 4 倍） 。例 1：喇叭测试信号电压的峰值因子为 6dB,问峰值时功率为平时的多少倍？电压的峰值因子峰值因

16、子为 6Db（相当于电压级为 6dB） ，说明峰值电压比有效值大一倍，所以电功率为有效值的 4 倍。例 2： 用 Clio 测谐振频率， 3 阶谐振频响曲线在提高了 30 分贝以后， 在大于 200Hz以后与总的相应曲线高度接近，问 3 阶谐振的声振动能量与整体比，为整体的多少？答: -30 dB = 10*lg(X/1)-3 = lgXX = 0.001 =0.1%1.3.3 声强级声强级某声强与基准声强某声强与基准声强 I0之比取对数乘之比取对数乘 10LI=10 lg (I/I0)dB式中 I0= 10-12w/m2，又声强与声压的平方成正比。故在常温常压下，声强级与声压级相等常温常压下

17、，声强级与声压级相等。声强级与声压级数值上相等，所以，声强级概念不常用。1.3.4 声功率级声功率级Lw= 20lg w/w0(dB)w0= 10-12W(1000Hz)1.3.5 声压级的叠加和平均声强级，声压级，声功率级与声强，声压，声功率是不同的概念。以分贝为单位的各“级”只有相对的意义，无量纲，其大小与基准数有关。在一定条件下，声压级，声功率级，声强级数值上是相等的，三者统一用声级表示。声强 W/m2声功率 W声压 Pa声级 dB102102200140747 起飞1120120耳朵痛阈10-210-22100织布机房10-410-40.280汽车喇叭10-610-62*10-260相

18、距 1 米交谈10-810-82*10-340轻声耳语10-1010-102*10-420静夜室内10-1210-122*10-50最低可听阈问题：两个不同的声源，各个发出声压级为 60 dB， Lp1 = Lp2 =60 dB 总声压级为多少?从声音传播的角度看，对于不相干的声源，空间某点的声压叠加，实际上是002002lg20)lg(10lg100lg10220ppppcpcpIILooI平均能量的叠加。 单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的平均能量。 用声强I 表示。单位：W/m2I 与声压的关系：I = P2/(0C0)所以计算点声压级应是：将声压级转换成声压，再平方相加，得到总的均

19、方根声压值，再根据声压级公式求得总声压级。总声压计算公式为：P2(t)=p12(t)+ p22(t)计算方法：60=20 lg p1/p03=lg p1/p0p1=1000 p0p2=1000 p0P2(t)=p12(t)+ p22(t) =2* (1000P02)P= 2* 1000P0Lp = 20lg(2* 1000P0/P0)= 20 lg (2* 1000)= 20 (lg2 +log 103)= 20 (1/2 lg2+ 3 )= 3 + 60 = 63 dB1 人说话 60dB,2 人说话 63 dB, 4 人说话 66 dB , 8 人说话 69 dB, 10 人说话 70 d

20、B，100 人 80 dB，1000 人 90 dB，1 万人 100 dB例：歌舞厅内四对音箱单独开时，在某点点声压级为 78、81、84、78 dB。问一起开时为多少?两个 78 分贝喇叭 合在一起 为 78+3=81， 81 与 81 合在一起为 84，84 与84 合在一起为 87 分贝1.4声波的传播特性1.4.1 声波在自由空间的传播若声源的尺寸与声波波长相比很小，可将声源看成点声源点声源,则离开声源 r 处的声强为：I=W/（4r2） 。声强与距离的平方成反比,而 I 与 P2又成正比, I=P2/(0C0)rprprIPI1,11,2222P 与 r 成反比，据离点声源越远，声

21、压越小。假设离开点声源 r1、 r2 处的声压分别为 P1、 P2， 则 r2 与 r1 处的声压级差是多少？因为声压与距离成反比， 所以 P1/P2 = r2/r1, 或者 P2/P1 =r1/r2。r1 处的声压级 20lg(p1/p0), r2 处的声压级 20lg(p2/p0)声压级之差 20（lg p1 lg p0 lg p2 + lg p0）= 20 lg (p1/p2)20 lg (p1/p2) = 20 lg (r2/r1)即 L = 20 lg r1/r2如果r2 = 2 r1,则L = -6 dB可见：距离增加一倍距离增加一倍，声压级下降声压级下降 6 dB（即声压为原声压

22、的即声压为原声压的 1/2） ，声强为原声强为原声强的声强的 1/4。(声压随距离的变化声压随距离的变化)人在距离喇叭 8 米处声压级为 108 dB； 则 16 米处为 102 dB； 32 米处为 96 dB；64 米处为 90 dB。问题：在 0.2 米处测的喇叭的 SPL= 100 dB，问在 1 米处 SPL 是多少？答： 100 + 20*lg 0.2/1.0 = 100 + 20lg 2/10 = 100 + 20*(0.3 1 )=100 + 20*(-0.7)=86dB（声压与距离成反比） 。1.4.2声音在管中的传播。 能量集中，传播较远。在截面均匀的管中传播的声波，因不向

23、四周扩散，保持一个平面波，能量集中传播很远(通风管不作吸声处理，噪声能带进各房间)。对有限长的管子，到管口，面积有突变（这种面积变化，相当于声阻抗发生变化）声波一部分向外辐射，一部分反射回去。为减少反射，在管子末端做成喇叭口，使阻抗有比较缓慢的变化，声波大部分向外辐射出去。在扬声器音箱中常用倒相管倒相管，使喇叭后的辐射能有效地利用。 当 L = n/4 时, 辐射功率较高。当管子的长度与波长可比较时，理论分析发现管子的长度正好为理论分析发现管子的长度正好为 1/4 波长的波长的整数倍时，管子的辐射功率可以得到很大提高整数倍时，管子的辐射功率可以得到很大提高(笛子即用手指按孔改变管子长度的)。人

24、耳有 2.5cm 的耳道，共鸣波长为 42.5=10cm, 10cm 波长的频率为344/0.1=3.44kHz，即人耳最灵敏频率。1.4.3 声音在房间内传播。室内听到的声音是直达声与反射声之和。室内听到的声音比户外要响，取决于反射声的强弱，直达声与反射声之和。反射声小的叫消声室消声室。反射声强，并且房间各点声强密度均匀,相位差无规律的叫扩散声场。扩散声场。 扩散声场实验室叫混响室混响室。混响时间混响时间：室内声场达稳定以后，切断声源，室内声压衰减 60 dB 所需的时间。公式为：T60= 0.161V/(S*)T：混响时间(s)V:房间容积(M3)S:房内表面积(M2):房间平均吸声系数.

25、1.4.4高低音的效果。人的听觉从 20Hz20kHz。20Hz 只有 20 岁以下的人可听。做听觉测试时，最高测听频率是 8kHz。声音传播时，高频比低频衰弱快。在 100m 远，10Hz 比 1Hz 声压弱小 3035dB。但比起低频，高频比较有方向性，高频波长短，受阻不会转弯；低频波长长，可绕过障碍物，所以高音音箱放低音音箱前,不受影响。高频有方向性，通过人耳有细微的时间差，可辨别声音方向。对低频来说，波长较长，如 200Hz 时波长为 1.72m。而人耳距离为 1012 cm，无法辨别。知道高低频方向性不同， 所以高低音喇叭不必放一起， 应不影响方向的感觉。1.4.5 男女对音频的反应

26、.在 30 岁以前，男女对高低频灵敏度一样。30 岁以后，男性对高频灵敏度衰减快。 如到了 60 岁， 女性对 4kHz 只有-15 dB 的衰减； 而男性有-40dB 的衰减。这可能与男人毛发脱落(人耳蜗管中小毛脱落)有关 (男女听觉)。1.4.6 声波的反射、透射、折射与互相干涉声波在传播的过程中， 遇到不同的媒体会发生反射和折射， 还能透过障碍物。不同的媒体的特性是由特性阻抗0C0决定的, 特性阻抗不同的两种媒体声波传播到介面上，就会发生反射，在水下不容易听到水上人的讲话，就因为反射大透射小的缘故。在管道中传播的声波，遇到管口突然放大或缩小，也会发生反射。要减小反射,要做成喇叭口。下面是

27、声波在大气中折射的例子。声波的叠加：两列频率相同位相不同的声波叠加的结果如下图。当两个相同频率的声波，但一列比另一列有延迟就会产生梳齿波形梳齿波形的频率分布。两列具有相同频率， 固定相位差的声波叠加在一起的时候， 会发生互相干涉。这和水面上看到的波的干涉是一样的。当两列相同频率但以相反方向行进的声波叠加后。这时各位置的质点都作相同位相震动。但是有的地方振幅很大，称为声压波腹； 有的地方振幅很小，称为声压波节。这种看上去停留在固定地方不动的波叫驻波驻波。也叫定波，(波的干涉)第二章 人耳听觉特性2.1 响度与等响曲线.人耳对声音分辨非常灵敏，从 20 微帕的 0dB 到 120dB，声强的变化范

28、围高达 100 万倍，但人耳对强度相同，频率不同的声音有不同的响度感觉。对低频最不灵敏，高频次之，中频最灵敏。下图为等响曲线图，用某频率信号与一定响度的 1000Hz 信号交替变换，听者感到响度相同时就把该频率的声强标在相应的位置。最下一条为可听阈，最上为痛阈。(等响曲线图)用 1000Hz 的声压级表示响度级的声压级表示响度级,单位为单位为方方(phon).结论：1.曲线 0 代表可听阈。低于此线之下不可闻。2.响度级低时，各频率声压级相差很大。可差 50dB 以上。3.当响度级别较高时，等响曲线近似水平(高保真放声在高声时，高低音都丰厚)。4.在高频段曲线间隔相同，说明声压级变化时，响度级

29、变化几乎相同。在低频段等响曲线间隔小， 等响曲线对声压变化很灵敏。 如 80Hz， 声压从 60dB80 dB，响度从 3070 方。响度级只反映不同频率的声音的等响感觉响度级只反映不同频率的声音的等响感觉，不能表示一个声音不能表示一个声音比另一个声音响多少倍的主观感觉。比另一个声音响多少倍的主观感觉。响度响度：是描述声音大小的主观感觉量，响度的单位是：是描述声音大小的主观感觉量，响度的单位是宋宋(sone)。定义：1000Hz 纯音，声压级为 40 dB 时的响度为 1 宋；2 宋的声音是 40 方声音响度的 2 倍；4 宋为 40 方声音响度的 4 倍。多次人平均，响度级每增响度级每增 1

30、0 方，响方，响度增加一倍。也就是说，声压级增加度增加一倍。也就是说，声压级增加 10dB， 响度增加一倍。响度增加一倍。如：10 把小提琴同时演奏，比一把声强增加 10 倍，相应声压级增加 10 dB，响度级也增加了 10 方，而主观响度只增加 1 倍。人耳对响度的感觉随声压级变化。声压级低时，分辨率差；声压级高，分辨率提高。声压级在 50dB 以上，人耳的声压、响度变化最小，大约 1dB。 小于 40dB 时，声压级要 13dB 以上才觉察出来。一个乐队演奏时，假如低、高音都以100 dB 的声压级录音， 此时等响线曲差不多平直， 低高音听起来有差不多的响度。如果重放时声压级较低，假如 5

31、0dB，这时 50Hz 的低音刚能听到，而 1000Hz 的声音却有 50dB，高音也同时听上去很弱，结果原有的音色都改变了。这时要想让50Hz 的声音听起来与 1000Hz 的声音有大致相同的响度，必须将其提升 20 dB 左右。因此声音以低于原始声(录音时)的声压级重放，必须通过均衡器(Equalizer)来提升低音和高音以保持原有音色平衡。2.2音调与倍频音程.2.2.1 音调音调音调或称音高音高，是人对声音频率高低的主观评价尺度。人耳对音调变化的感觉不是线性的。如钢琴（88 键钢琴，白 52 黑 36，最低27.50Hz,最高 4186.01Hz） A4 键 440Hz， 升高八度到

32、A5 键 f=880Hz， 再升高八度，不是 880+440=1320 Hz，而是 8802=1760 Hz。即相邻等音程之间的频率关系是对数关系。F2/f1 = 2，f3/f2 = 2，f4/f3 = 2 或者 log(fn+1/fn) = log fn+1-log fn= 常数。例如：log880-log440=2.94-2.64=0.30log1760-log880=3.25-2.94=0.30 我们说人耳对音调变化的感受是对数关系。2.2.2 音程,在频率轴上两个音高之间的距离称为音程。一个 8 度音程称为倍频音程(Octave)。人耳听觉范围可分为 10 个倍频音程。20-40-80

33、-160-320-640-1280-2560-5120-10240-20480每个倍频程分为 12 个半音，每个半音可分 100 音分。 一个倍频音程有 1200 音分。钢琴最低 27.50Hz，最高 4186.01Hz。每一倍频音程有 12 个半音，相邻两个半音频率之比为 2 的 1/12 次方21/12=1.059。2.2.3 分数倍音程在喇叭测试信号中，还常用分数倍频。如 1/3 Octave， 1/6 Octave， 1/12Octave。他们把一个倍频音程再分成 3 份、6 份或 12 份。在分的时候，仍要求相邻频率之比为常数。例如 f4 = 2* f1。 f1 到 f4 为倍频音程

34、，分成 3 份，则有 f1 f2, f2f3, f3 f4 且 f4 /f3 = f3/f2 = f2/f1 = D =const。所以 F4 = D*f3 =D*D*f2 = D*D*D*F1。已知 f4/f1 = 2。 即 D*D*D =2，D 等于 2 的 1/3 次方。则 D=1.26如果 F1=40、 F4=80，则：F2=40*1.26=50F3=50*1.26=63F4= 63*1.26=801/6 Octave 相邻频率之比为 2 的 1/6 次方，为 1.125。1/12 Octave 相邻频率之比为 2 的 1/12 次方，为 1.06。人耳对频率的分辨能力，高音差 2 音

35、分已经能分辨，差 8 个音分大多数能分辨。专业工作者可区分相差 0.1Hz 的两个音叉。钢琴调音师能准确的把 27.50 Hz调到 26.827.2Hz，以满足人们的听觉。2.2.4 粉红噪声在音频测量中常用粉红噪声作测试信号。而不用纯音，因为粉红噪声的峰值因子更接近语言或音乐的峰值，它的频谱更符合人耳的听觉特性。白、红噪声之比较：白噪声频谱曲线很平， 对任意固定的 f2-f1 频率范围能量是定常的； 粉红噪声，其能量在任一固定的频率比上是定常的。 对相同的 20-20kHz 的能量， 粉红噪声频谱必定开始值较大，随频率增高而下降，在 632Hz 处粉红噪声与白噪声能相等，然后下降。对每单位频

36、率来说,白噪声能量是一定的。 1K-900Hz 与 200-100Hz 的能相等。粉 红 噪 声能 量 每 等 比 频 率上 是 相 等 的 。如 10K-1K 的 能 量 (10:1) 与1K-100Hz(也为 10:1)的能量相等。因此以单位频率的能量而言，高频能量比低频能量小(10K-1K 有 9000 个单位频率，1K-100 有 900 个单位频率)。(白,红噪声之比较)2.3 音色音色是指乐音信号的频谱结构。它取决于乐器的激励、谐振和共鸣系统。根据音色，人耳可鉴别出不同的乐器，甚至把基频略去，仍可分辨出来。如小收音机，扬声器下限频率为 300Hz，但仍可听出鼓声。2.3.1 激励乐

37、器是受到激励发声的，激励指摩擦，打击，吹奏这些激励有丰富的频率成分的乐器。乐器通过谐振，共鸣，有选择的放大某些频率，抑制某些频率从而构成不同乐器的特征。2.3.2 谐振如弦乐，在受弓的激励后，产生波的频率为：f= n*1/(2L)*(T/)1/2为弦线的线密度T 为弦的张力L 为弦长n 为 1，2，31 为基频，2，3 为 2 次谐频，3 次谐频n 次谐频。2.3.3 共鸣共鸣箱决定了哪种谐频能有效放大，形成代表乐器的共振峰区。没有谐音，单纯的基频信号是没有乐感的。人耳一般只涉及最初的 6-7 个谐音，更高阶的谐音对音色贡献不大。实验证明，7 阶以上的奇次谐波使声音变得粗糙、刺耳。2.4 波的

38、分解.付氏分析法.（Fourier Transform.）根据付氏级数的规则,任何周期函数.满足一定的规律即可分解成一个无穷的三角级数之和.例如:如图的方波 f(t )可写成:其中,只出现奇次谐波,偶次为零,一般情况,奇偶都有.( 波的分解)如果给喇叭一个纯波(常是单一正弦波)信号，喇叭发出也是一个纯波,则喇叭无失真.出来的波形无变化.常常是给一个纯波后， 出来的波形发生变化， 对输出波进行分解,可以看到除了原输入的基波外,还产生出许多高次谐波,所谓的谐波就是与基波频率成比例的波，谐波如果比纯波基波的比例大,即失真严重.在谐波分析中,有一种可用较快速度求出各次(各阶)谐波的方法，叫快速付氏分析

39、法.FFT (Fast Fourier Transform)在喇叭测试中,常用总谐波失真来表示失真的大小，定义为：Total Harmonic Distortion其中 H1表示基波的振幅，下标 2，3， 。 。 。n 表示 2，3，n 次谐波。阶数 n(不是倍频),如基波为 50Hz, H1 =50, H2=100, H3=150, h4=200,用振幅的平方，因为波动的能量与振幅的平方成正比。THD 一般只有百分之几。一般喇叭中听到的杂音（Rub & Buzz）可用大于 9 次谐波,在总波中比例来表示。 )9sin(91)7sin(71)5sin(51)3sin(31)(sin(4)(tt

40、ttttf100.223222122322NNHHHHHHHTHD221022212211210.&NNHHHHHHHBuzzRub杂音一般的限定为 0.1 % 。如图是 SoundCheck 对一个喇叭 RUB & BUZZ 检测的结果在 400 Hz 处有问题.在 400 Hz 处,喇叭棚架焊接不好.1700 Hz 处,是胶水黏接不好.2.5 失真的觉察.失真是音质评价中的重要参量,失真是由系统的非线性引起的.谐波失真谐波失真:输入正弦信号时,输出信号中的谐波与总输出信号之比.互调制失真互调制失真,输入二个不同频率的信号 f1,f2,出现 f1+f2, f1-f2 的信号所占的比例.总谐波

41、失真总谐波失真,由谐波失真产生的输出信号有效值与总输出信号有效值之比.实验证明,人耳对 2-5 阶谐波以及 10 阶以上,反应灵敏,为确定人耳对失真的觉察能力,先定义 0 dB 的主观失真度.定义:对任何音频正弦信号,在自由场中聆听声压级为 90dB 的纯音时,刚能听到微弱的谐波失真,称为 0dB 主观失真度.例如在 50Hz ,90dB 的声场中,加入二次谐波(100 Hz)信号从小到大,刚能听到,测得二次谐波的信号大小为 68.8dB,当二次谐波的信号低于 68.8 - 90= -21.2 dB 时,二次谐波不再为人耳觉察, -21.2dB 称为二次谐波的 0dB 主观失真度.沈壕实验结果

42、如下:?结论:1. 人耳对失真的感觉阈值很宽,从 2 次谐波(-20dB,即 10%,)到 40 次谐波(-80dB,即0.01%)2. 对 7 次以上谐波非常敏感,只要大于 0.3%(-50dB)就能觉察(Sound check 取0.1%,-60dB)2.6 哈斯效应Hass当两个强度相当而其中一个经过延迟的声音同时到聆听者的耳中,如果延迟在30ms之内,听觉上感到声音好像来自未延迟的声源,并不感到延迟的声源的存在.当延迟 D:30ms D 50ms 时,才感到延迟声成为一个清晰的回声.哈斯效应又称优先效应,在建筑学中很重要,如天坛,沿在圜丘中央讲话,声音宏亮.剧院要在台口两侧,上方设置反

43、射板.为防止相邻扬声器干扰,避免一个扬声器声音成为另一个扬声器的回声,相邻扬声器距离应小于相邻扬声器距离应小于 17m(17/340=0.05s=50 ms).2.7 掩蔽效应 掩蔽效应是指同一环境中的其他声音会使聆听者降低对某一种声音的听力。例如当一种复合声音信号作用到人耳时，如果其中有响度较高的频率分量， 则人耳不易察觉到那些低响度的频率分量， 这种生理现象称为掩蔽效应。实验证明，对于纯音，一般低音容易掩蔽高音，而高音较难掩蔽低音。掩蔽效应有利有弊，一些降噪系统就是利用掩蔽效应的原理设计的，在数字电路中，可利用掩蔽效应进行压缩编码， 如 MP3.第三章 电,磁,机械震动基本知识3.1 电学

44、基础知识.3.1.1 欧姆定律.Ohms law流过导体的电流与导体两端的电压成正比,与电阻成反比.I=V/R单位3.1.2 电功率P=VIP=I2RP=V2/R问: 8 欧喇叭，要施以 1 瓦的功率，应输出多大的电压？V2= 1*R,V=2.83问：一台仪器，输出阻抗为 600 毫欧，要输出 1 瓦的功率，输出电压是多少？V2= 1*R = 1* 0.6,V= 0.775v3.13 电压的有效值和峰值系数(波峰因子 Crest factor)对正弦交流电,电压的有效值,平均值如图. 所谓有效值指在一个用电器上,产生与交流电相同功率的直流电电压.平均值是指在交流电一个周期内电压绝对值的代数平均

45、值.正弦交流电若峰值为 1, 有效值为 0.707, (低 3 分贝).平均值为 0.637.波峰因子为 峰值与有效值之比,正弦交流电的峰值因子为: 1/0.707=1.414 ,3 分贝.喇叭测试中用的白噪声,粉红噪声的峰值因子为 6 分贝,即峰值比有效值大一倍.注意,交流电的电压和电流的分贝计算都是:20lg(V/V0),20lg(I/Io)因为 分贝计算适用于计算功率,而电功率与电压及电流的平方有关,因此LOG前面的系数为 20. 电压增加一倍(为原来的两倍),即提高 6 分贝, 即为原来的 1.414倍.3.1.4 导体的串连与并联串连电路: R总=R1+R2+R3并联电路:各导体上电

46、压相等.I总=I1+I2+I33.2 有关磁场,电磁的基本知识.3.2.1 磁感应强度.B单位磁荷(正磁荷N)在磁场中受1 Dyne力,磁场强度为1 GAUSS(c,g,s 单位).在磁场中,垂直于磁场方向的通电导线会受到磁场力的作用,其力 F 的大小与电流强度 I 和导线的长度 L 的乘积成正比,其比值叫导线所在处的磁感应强度磁感应强度,用 B 表示.B = F/(I*L)B 的方向与磁场方向相同,即小磁计 N 板所受力的方向.B 的单位. Tesla.32101111RRRR1T = 1N/(A*m)一般永久磁针B=0.4-0.7 T交流电变压器铁芯B = 0.8-1.7T超导体1000T

47、地球表面0.510-4T3.2.2 磁通量磁通量Magnetic Flux磁场的强度还可以用磁感应线的疏密来表示. (磁力线分布)定义:面积 S,匀强磁场 B,通过这个面的磁通量为=B*S磁通量使用单位: 麦克斯韦.的单位:韦伯(Wb)1 Wb=1T * m2单位面积的磁通量叫磁通密度. (Density of Magnetic Flux) B=/S,即磁感应强度.Wb/m2= T早期磁场强度(磁感应强度)还用 GaussGs作单位.1T = 10000 Gs因为B = F/(I*L)， 所以单位长度的通电导线，在磁场中受的力为：BI在喇叭制造业中， 把它称为动力因子动力因子（Force Fa

48、ctor） ，是很重要的参数。BI 的单位：N /m意思是 每米长的通电导线在磁场中受到多少牛顿的力3.2.3 法拉第定律(左,右手法则)1. 在磁场中通电导线会受到磁场力的作用.力的大小与磁场强度,导线的长度与电流强度成正比.F=BIL其方向服从左手定则,左手掌心面对磁力线方向,四指为电流方向,则拇指为受力方向.螺线管,右手握管,四指指向电流方向,大拇指为北极方向.2. 闭合电路的一段导体,在磁场中作垂直磁力线的运动,会产生感生电动势,电动势(电压)的大小与磁场强度 B 运动速度 V 及磁场中导线的长度成正比.（右手定则）(电压)U = BLv电压的方向,服从右手定则,即右手掌心,面对磁力线

49、方向,拇指指向导线运动方向(速度方向),则四指为电压(电流方向).感生电流的方向是他产生的磁场阻碍运动的发生的方向.3.3 交流电路.3.3.1 交流电路的性质.大小,方向随时间而周期性的变化的电压或电流叫交流电.交流电的基本形式是正弦交流电.U = Umsin(t)I = Imsin (t),=2 fUm Im 为电压和电流的振幅交流电的有效值.交流电在一个周期内通过电阻产生的热等于直流电相等的电压叫交流电的有效值.而直流电W = I2R T所以I2= Im2/2,I =0.707 Im同样电压V = 0.707 Vm市电 Um = 311v有效值 311*0.707 = 220v3.3.2

50、 交流电中的电容.常用数学公式.RTIdttIRdtIRRdtIdWWRdtIdWmTmmTT2)2cos1 (2)sin(,202200022三角函数曲线的超前与落后。在曲线图上 sin(x+/2)比 sin x 超前/2相位角sin(x-/2)比 sin x 落后/2 相位角电容:二金属板中间为绝缘介质,构成电容器,极板的大小,介质的性质决定可充电荷的多少,单位电压下可充的电荷数叫电容.C = q /U,q (库伦)， U (伏特)C ( 法拉)电容的导电特性,可通交流电,不通直流电,且阻抗随交流电频率的增大而减小.当把正弦电压加到电容器上时,电容器开始充电和放电,充电时开始较大,慢慢随着