第三章 语音学的生声学基础zwq.pptx

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1、临床语音学,第三章 语音学的声学基础,气压与声波声音的特性 共鸣,第一节气压与声波,气压的测量空气的运动空气的压强，体积和密度声音在气压中的变化弹性和惯性声波及其属性波形图与频谱图,气压,压强垂直作用于单位物体表面上的力的大小。气体压强气压的变化能够使悬挂的物体彼此碰撞发出和谐悦耳的声音。气压的变化可以推动耳膜向内或向外运动。,气压的测量,气体压强（即气压）是无数空气分子作用在单位物体表面上的合力。因此，气压可以从各个方向上进行测量。测量单位：达因每平方厘米（dynes/cm2），帕（Pa），毫米汞柱，厘米水柱,空气的运动,空气是一种气体。空气分子有趋向于平衡的性质。为了达到这种平衡，空气总是

2、从一个较高的压力区域转移到一个较低的压力区域。,空气的运动,单位时间内通过特定区域或管道横截面的空气容量的大小被定义为流程（flow），而某个方向上的流程被称之为流速或体积速度（volume velocity） 。流程通常以升每秒(l/s)、升每分（l/min）、毫升每秒（ml/s）、或者毫升每分（ml/min）做度量单位。,空气的运动,空气的另一种特性是它可以以平静或动荡等不同的形式流动。空气平静地流动时，空气分子以相似方式和相同速度移动，这称为层流（laminar flow）。 当流动过程中出现障碍物时，就会出现湍流。这时，流动变得不规则，并形成逆流（turbulent flow）。,空气

3、的压强，体积和密度,波义耳定律（Boyles law）：当温度不变时，空气的体积变大，压强就会随之减小；空气的体积减小，压强就会随之增大。即：p V = k （k是常数）,空气的压强，体积和密度,声音在气压中的变化,空气分子的无规则运动可以产生一个相对稳定的压强。这种在我们周围任何地点和时间都存在的相对恒定的压强被称为环境压强。当声音产生时，恒定的环境压强就以系统的方式产生扰动，这种扰动可能是增加、也可能是减少，此时空气分子的无序运动状态也随之改变成有序运动状态。,声音在气压中的变化,声音在气压中的变化,空气中压强的变化是以球体的球心为中心、以机械波的形式向无限远处的球面传播。,声音在气压中的

4、变化,空气压强的变化，引起鼓膜受迫振动。声音的基本特性就是交互地增加和减小空气压强。,弹性和惯性,弹性指的是一个物体在被拉伸、位移或变形以后能够恢复到原始大小、形状、位置和形态的性质。所有的固体都有一定程度的弹性。同样，空气也具有弹性。惯性用来描述物体在没有外力的作用下，保持原来静止或固有运动方向的性质。,弹性和惯性,振幅指的是分子移动到的距初始位置的最大距离。振幅由振动物体的能量大小所决定。振幅减少的振动称为阻尼振动，用来表示声音能量的减少。,声波,声波就是扰动（disturbance）在介质中的传输,它是能量传递的一种形式。在空气中，一旦空气分子产生振动，每个分子不会自己运动至接收者的耳朵

5、，而只是在起始位置附近移动很小的一段距离。传到接收者耳朵的其实是空气的扰动，也就是空气分子的振动所引起的空气压强疏密相间的变化，这种变化将传播很长一段距离，最终对接收者的耳朵产生影响。,声波的属性,声波的属性,声波具有两大属性：一是振动源，可用频率、周期和振幅来描述。二是传播介质，可以用波速和波长来描述。,声波的属性,频率和周期 空气分子的一次往复运动构成了一个完整的振动周期。振动周期主要由空气压强的变化决定，而不是受分子个体运动的影响。一般以时间来计算振动周期，其单位为秒（简写为s）。物体（或空气）每秒振动的次数称为频率，单位为赫兹（简写为Hz）。,声波的属性,频率和周期 我们所说的频率指的

6、是声源和空气分子振动的频率。频率的倒数就是每个振动周期所需要的时间，即波的周期。 频率和周期之间是成反比关系的。,声波的属性,波速和波长 声源以一定的频率振动产生声波。声波在介质中不仅以恒定的波速传播，而且要占用空间。声波占用的空间用波长来表示。波长指的是在一个完整的压强变化的周期内，声波传播的距离，单位为米。 波速（v）、频率（f）和波长（）密切相关：v/f，t=1/f。,声音的吸收和反射,吸收基本上就是波的衰减，由于摩擦的作用，空气压强的变化逐渐减小。反射是指部分声音没有被传播出去或被吸收，而是从障碍物的表面反弹回来，以与入射波相反的方向进行传播。,声音的吸收和反射,入射波 反射波,反射定

7、律：入射角=反射角,声音的吸收和反射,球面波在平面上的反射，反射波好像来自平面后方的声源。,相长干涉和相消干涉,入射波和反射波在时间和空间上互相叠加，这种波的叠加现象被称为干涉。导致振幅增加的干涉被称为相长干涉。导致振幅减少的干涉被称为相消干涉。音叉、驻波和节拍是干涉中的特例。,相长干涉和相消干涉,两列波叠加的干涉模式,音叉,驻波,驻波是由两列相同的简谐波在介质中以相反的方向相对传播而产生的。分别在四分之一波长处达到最大值和最小值,节拍,节拍是指在相同介质中传播的两列声波除了频率有细微的差别外，其他方面完全相同。 节拍频率：fb = f2 f1,(上)频率略微不同的两列波(下)示波器演示的节拍

8、干涉,纯音和复合波,纯音和复合波,不同频率、振幅和阻尼的纯音波形图,纯音的组合形成复杂波,复合波有两种类型：周期性和非周期性。言语声既是周期性复合波，也是非周期性复合波。,波形图和频谱图,我们采用图示法来描述声波，描述声音的各种特性。描述的方法有两种：一种是波形图，主要描述声音的时域特性。另一种是频谱图，主要描述声音的频域特性。,周期和非周期声波的波形图与频谱图,表示无声的波形图和表示非周期复合波的连续谱,第二节声音的特性,频率和音调振幅和响度,频率和音调,频率指的是物体振动的快慢，也包括由于物体振动产生的空气压强变化的速度。频率是对物理现象的客观测量，用赫兹（Hz）来表示。音调是一种心理反应

9、。它是我们感受声音高低的指标，以音阶为单位，计量单位是美尔（mel）。音调（pitch）音阶（musical scale）,频率和音调（mel）,mel是知觉上的，主观的单位，由所有人在主观上决定一个声音的音调的高低。音调以1000赫兹的声音作为标准音调，定义为1000mel。在感觉上，是标准音调两倍的声音的音调，被定义为2000mel，是标准音调一半的声音的音调，被定义为500mel。,频率和音调,影响物体振动频率的三个决定性因素是： 长度：作为振动源的物体越长，物体振动得越慢，反之亦然。 质量：物体的质量越大，物体的振动频率越低，反之亦然。 张力：物体的张力（或硬度）越大，物体的振动频率越

10、高，反之亦然。,频率和音调,频率的变化是长度、质量和张力共同作用的结果，这一点对于我们今后学习声带振动原理的时侯非常重要。 例如：男女声带长度、质量与男女声频率之间的关系。声带振动是两侧声带肌内部弹力、来自呼吸系统的空气动力和Bernoulli效应相互作用的结果。,环甲关节运动原理,原理,频率和音调,一般来说，物体振动得越快（频率越高），声音的音调就越高，物体振动得越慢（频率越低），声音的音调也就越低。但是，二者并不是线性关系。,振幅和强度,振幅指的是物体振动的幅度，也包括由于物体振动产生的空气压强变化的幅度。参照分子的运动，振幅指的是分子在运动过程中，离开平衡位置的最大位移。就声音而言，振幅

11、通常指的是声音在空气中传播时引起的压强变化的幅度。振幅与压强有关，振幅是对物理现象的客观测量。,振幅和强度,能量是个体或物体做功的能力。功被定义为力在空间上的累积效果，即：通过推或拉物体，使其产生一定的位移。 能量和功尽管有关系，但并不是一致的。如果你用很大的力气推一幢建筑物但没有产生位移，你花费了很多的能量，但并没有做功。功率指的是单位时间内消耗能量的数量。,振幅和强度,理解能量和功率的概念：如果你以正常的速度骑自行车，那么你是在以恒定的速率消耗能量。你可能在骑了几个小时之后才感到疲劳。但是，如果你参加自行车比赛，你需要以最快的速度骑车，那么你就会在很短的时间内消耗同样多的能量。在这两种情况

12、下，虽然消耗了相同的能量，但由于消耗能量的速率不同，所以功率也就不同。,振幅和强度,强度指的是一定面积上消耗功率的大小。可将强度认为是输入能量或功率后所产生的输出，无论这种输出是声音，还是其他形式的能量。40瓦的灯泡要比75瓦的灯泡所发出光亮度小。如果音箱的功率为10瓦，你能听到一定响度的声音。如果音箱的功率增大到30瓦，那么你听到的声音将会大得多。,振幅和强度,振幅和强度联系密切，主要由压强变化的程度决定。从数学的角度而言，强度的变化是振幅变化的平方。也就是说，一般来说，对于声音而言，振幅越大，强度越大。然而，强度比振幅增加得快。 因此，只要空气压强发生很小的变化，声音强度就会产生很大的变化

13、。,振幅和强度,振幅和强度都是对物理现象的客观测量，而响度则是指人耳对强度的主观听觉感知。振幅和强度越大，听到声音的响度就越大，反之亦然。与频率相似，这个关系也不是线性的。声音的强度增加到原来的10倍，响度才会增加到原来的2倍，强度增加到原来的100倍，响度才会增加到原来的3倍。,振幅和强度,与音调类似，我们把1000Hz声音的强度作为标准响度，响度单位是方（phon）。 分贝（dB）是同时考虑声音的振幅和强度的测量单位。,线性标度和对数标度,振幅和强度（分贝）,分贝标度不仅是一种对数标度，而且是一种比率标度，可以把任何声音与标准参考声音进行对比。标准参照声音是一种特定的声音，其振幅为20Pa

14、（0.0002 dyne/cm2，或0.0002 bar），强度为10-12W/m2（10-16W/cm2）。,振幅和强度（分贝）,对于振幅来说，声音压强的加倍（或减半）将会导致振幅增加（或减少）6分贝。声压级：L = 20 lg(P / P0)对于强度来说，声音功率的加倍（或减半）将会导致强度增加（或减少）3分贝。声强级：L = 10 lg(I / I0),第三节 共鸣,自由振动和受迫振动共鸣器带宽截止频率共鸣曲线共鸣器参数滤波器类型,自由振动,物体的振动可以分为自由振动和受迫振动。自由振动（free vibration）：物体振动时的频率由其自身的物理特性决定。自由振动的频率称为固有频率或

15、共振频率（resonant frequency）。,受迫振动,受迫振动（forced vibration）指的是当两个物体的固有频率非常接近时，其中一个振动的物体可以引起另一个物体的振动。 当一个物体（或空腔）做受迫振动，所加驱动（激励）频率等于振动体的固有频率时，便以最大的振幅来振荡，这种现象称之为共振。声波的共振称为共鸣。,声学共鸣器,声学共鸣发生在充满空气的容器内 。这种容器作为声学共鸣器，在声音产生的过程中起着非常重要的作用。如：小提琴与大提琴的音色区别。声学共鸣器可以过滤某些频率的声音，而保留其他频率的声音。,声学共鸣器,声学共鸣器的作用就是把频率接近管子固有频率的声音放大，降低或削

16、弱偏离管子固有频率的声音。通过放大和传播接近管子固有频率的声音，削弱或阻止偏离管子固有频率的声音，共鸣器发挥了滤波的功能。声学共鸣器的这种滤波特性就是我们人类能够发出各种不同声音的基本原理。,声学共鸣器（共鸣曲线）,共鸣器对任何输入频率做出响应的方式以用共鸣曲线（resonance curve）来描述。,声学共鸣器（带宽）,带宽指的是共鸣器传输声音信号的频率范围。,声学共鸣器（带宽）,窄带共鸣器：对声源的频率响应缓慢，也就是说，振源的振幅较为缓慢的增大到最大水平。同样，窄带共鸣器的衰减过程也较慢。,声学共鸣器（带宽）,宽带共鸣器：宽带共鸣器对声源的频率响应较快。同样，衰减过程也比较快。,声学共

17、鸣器（截止频率）,频率点正好是传播的声音强度减少了一半的点，被称为截止频率（cutoff frequency）。,声学共鸣器（截止频率）,请注意强度减少一半相当于声强级减少了3分贝。中心频率的声强级最大值减少3分贝处就是截止频率所对应的强度。因此，截止频率也称为3分贝降点。,滤波器类型,共鸣器是一种特殊的滤波器，常见的滤波器类型包括：低通滤波器（low-pass filter）高通滤波器（high-pass filter）带通滤波器（band-pass filter）人的构音器官所构成的管道就是一个带通滤波器。,言语共鸣,人类言语也具有类似的共振现象，元音的音色和区别特征主要取决于声道的共振峰特性。这种特性可从语音信号的频谱分析得到的幅频特性观察到。语音的产生过程比乐器复杂得多。共鸣作用除声道（喉、口腔、鼻腔）之外，还包括胸腔的共鸣作用。,言语共鸣,共振峰是指在声音的频谱中能量相对集中的一些区域。声音在经过共振腔时，受到腔体的滤波作用，使得频域中不同频率的能量重新分配，一部分因为共振腔的共振作用得到强化，另一部分则受到衰减，得到强化的那些频率在频谱图上犹如山峰一般，故而称之为共振峰。,如图所示。直角坐标系的x轴为频率，y轴为振幅，图中曲线上如山峰一样突起的部分就是共振峰曲线，其顶点在x轴上对应的频率值就是共振峰频率。,谢谢！,