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應用文章

聲學(xué)定義和音高單位

  • 發(fā)布時(shí)間:2024-07-04 09:26:23

一、什么是聲學(xué)

聲音是人類(lèi)最早研究的物理現象之一,聲學(xué)是物理學(xué)中歷史最悠久而當前仍在前沿的分支學(xué)科。聲學(xué),英文Acoustics,指研究機械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應的科學(xué)。

聲學(xué)作為一門(mén)跨層次的基礎性學(xué)科,研究從微觀(guān)到宏觀(guān)、從次聲(長(cháng)波)到超聲(短波)的一切形式的線(xiàn)性與非線(xiàn)性機械波現象。隨著(zhù)19世紀無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)明和應用,聲學(xué)研究方向已出現很多分支:基礎聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、非線(xiàn)性聲學(xué)、量子聲學(xué)、分子聲學(xué)、次聲學(xué)、超聲學(xué)、光聲學(xué)、電聲學(xué)、熱聲學(xué)、建筑聲學(xué)、語(yǔ)言聲學(xué)、物理聲學(xué)、生物醫學(xué)聲學(xué)、水聲學(xué)、大氣聲學(xué)、海洋聲學(xué)、地聲學(xué)、生理聲學(xué)、音樂(lè )聲學(xué)及聲化學(xué)等。

二、聲音的產(chǎn)生和傳播

聲音是物體產(chǎn)生的機械波,通過(guò)空氣傳播到耳朵,例如:人說(shuō)話(huà)通過(guò)聲帶的振動(dòng)。

聲音傳播通常通過(guò)空氣。一個(gè)鼓面或聲帶等的機械波傳遞到附近的空氣,這些粒子把機械波又傳遞到更遠的地方,這樣連續傳遞直到最初的聲能漸漸耗盡。壓力向鄰近空氣傳播的過(guò)程產(chǎn)生我們所說(shuō)的聲波。

聲波在傳播過(guò)程中,在介質(zhì)間會(huì )有聲波能量的反射、吸收和穿透。見(jiàn)圖1聲波碰到室內某一界面后傳播解剖圖:當聲波(Eo)碰到室內某一界面后(如天花板、墻壁),一部分聲能被反射(Er),一部分被吸收(主要是轉化成熱能)(Ea),一部分穿透到另一空間(Ei)。

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圖1 聲波聲波碰到室內某一界面后傳播解剖圖

Eo = Ey+Ea+Ei

1、透射系數:image.png

2、反射系數:2.png

3、吸聲系數:3.png

三、聲音的強度

聲音的強度,形象也稱(chēng)為響度、音高或音程,取決于機械波的振幅:譬如用力地敲一根弦時(shí),這根弦就大距離地向左右兩邊擺動(dòng),由此產(chǎn)生強機械波,發(fā)出一個(gè)響亮的聲音;而輕輕地敲一根弦時(shí),這根弦僅僅小距離左右擺動(dòng),產(chǎn)生的機械波弱,而發(fā)出一個(gè)微弱的聲音。聲速一定時(shí),聲音的高低強度取決于機械波的波長(cháng),較短的空間產(chǎn)生的波長(cháng)較短,較長(cháng)的空間產(chǎn)生的波長(cháng)較長(cháng),如小音箱比同類(lèi)型的大音箱波長(cháng)短,音調高。同樣的道理,短弦的發(fā)音比長(cháng)弦高;個(gè)子矮的人比個(gè)子高的人聲音高等。

聲壓和聲強有密切的關(guān)系,在自由聲場(chǎng)中,測得聲壓和已知測點(diǎn)到聲源的距離,就可計算出該測點(diǎn)之聲強和聲源的聲功率(聲能)。

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聲行波強度用單位面積內傳播的功率(以W/m2為單位)表示,但是在聲學(xué)測量中,有時(shí)功率不易直接測量得到,所以有時(shí)會(huì )用壓強差(又稱(chēng)聲壓)代替聲強來(lái)表示強度。

3.1、聲壓級Lp:取參考聲壓為Po=2*10-5N/m2為基準聲壓,任一聲壓P的Lp為:1.png

聲強I與聲壓P的關(guān)系式中,Zc是媒質(zhì)的聲特性阻抗,Zc=ρC,即在相同溫度和壓強下,聲強與聲壓的平方成正比,比例系數受溫度、介質(zhì)壓強和介質(zhì)屬性的影響。聲壓增加10倍,聲強則增加100倍,分貝數增加20。所以聲壓為其基準值的100倍時(shí),聲強級是40dB。在使用聲強級或聲壓級時(shí),基準值必須說(shuō)明。在空氣中,ρс≈400,聲強的基準值常取為10-12W/m2,與這個(gè)聲強相當的聲壓基準值約為20μPa(即2×10-5N/m2,會(huì )受溫度影響),這大約是人耳在250Hz所能聽(tīng)到的最低值。這時(shí)聲強級為0dB(這是在空氣中,并選擇了適當的基準值情況下)。

人耳聽(tīng)覺(jué)下限:p=2×10-5N/m2,Lp為0dB;

能量提高100倍:P=2×10-3N/m2,Lp為20dB;

人耳聽(tīng)覺(jué)上限:P=20N/m2,Lp為120dB。

3.2、聲功率級Lw:取Wo為10-12W為基準聲功率級,任一聲功率W的聲功率級Lw為:5.png

3.3、聲強級LI:取Io為10-12W/m2為基準聲強,任一聲功率W的聲強級LI為(dB):6.png

在聲學(xué)中常見(jiàn)的聲強范圍非常大,所以一般用對數表示,稱(chēng)聲強級,單位是分貝(dB)。先選一個(gè)基準聲強值,一個(gè)強度等于其基準值10000倍的聲,聲強級稱(chēng)40dB,強度1000000倍的聲則強度級為60dB。

3.4、聲壓級的疊加

幾個(gè)聲源同時(shí)作用時(shí),某點(diǎn)的聲能是各個(gè)聲源貢獻的能量的代數和。因此其聲壓是各聲源貢獻的聲壓平方和的開(kāi)根號,即:7.png

聲壓級Lp為:8.png

這樣一來(lái),問(wèn)題就來(lái)了:聲壓級10dB+10dB=?,0dB+0dB=?,0dB+10dB=?,可不是簡(jiǎn)單的相加關(guān)系,根據對數公式和上面分析,答案應分別是:13dB、3dB、10dB。

也就是說(shuō),兩個(gè)數值相等的聲壓級疊加后,像上面的10dB+10dB和0dB+0dB,總聲壓級只比原來(lái)增加3dB,而不是增加一倍。

此外,兩個(gè)聲壓級分別為不同的值時(shí),其總的聲壓級為:

9.png

以上疊加結論,對于聲強級LI和聲功率級Lw同樣適用。

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