「精华」科普|声音基础知识(二)声波辐射特性与声源定位

 admin   2024-07-07 03:11   12 人阅读  0 条评论

音视频行业的从业者要为消费者提供专业、系统的视听解决方案,这除了需要音乐和声音的基础知识外,还需要了解各种乐器的声学原理。声音和外部言语的知识。在实际声学工程中,必须掌握更多的技能,如噪声评价及基本控制方法、室内声学基本原理、基本主观音质评价术语、科学的主观音质评价方法等。


同时我们也希望很多影音爱好者、音响发烧友也能了解这类内容。为此,在『影音新生活』中,我们准备了专题,全面介绍声音的基础知识,让大家更方便地了解声音、音频技术。


声波辐射特性


声波从声源传播到周围环境,称为声辐射。我们习惯认为,声音传播时,其强度前后左右上下相等。事实上,情况并非如此。这是因为当物体振动时,它通常是局部振动,而不是全局振动平衡。物体完全振动的一面具有最大的振幅和最强的声波。因此,在典型的声场环境中,我们听到的声音有的地方较大,有的地方较弱。


来自点源的方波辐射


这意味着,对于同一声源,虽然声音从不同方向以相同距离辐射,但音量强度存在差异。简单地说,声辐射是有方向性的。声波在辐射过程中,能量随传播距离的不同而减弱。对于合成波,音色随着传播距离的增加而变化。这是因为每个谐波具有不同的频率和幅度,在传播介质中经历不同的阻力,并且具有不同的衰减系数。一些频率较高、幅度较小的谐波在辐射过程中消失,改变了构成音调的泛音成分。


因此,声音传播得越远,它的光泽度就越低。雷电和闪电就是例子。近处的雷声响亮而清晰,远处的雷声沉闷而沉重。如前所述,频率高于20kHz的称为超声波。由于超声波的波长很短,辐射的直线传播具有方向性、遇到障碍物时反射等物理特性。事实上,超声波的这种特性并不局限于20kHz以上的频率,而是从5kHz开始逐渐增加到声音频率。


换句话说,超声波的直线性、方向性、遇到障碍物时的反射等特性,都是在人耳的听觉范围内常见的。例如,钢琴上C2音符的基频为49388Hz,其上方的第13泛音为691432Hz,第15泛音为7902Hz。这些声辐射具有超声波特性。可见,当复波基频超过500Hz时,高次谐波具有超声特性。在声场中,从声源直接传播到人耳的声音辐射,是听觉器官感知声音的强度、音高、音色和方向的主要信号基础。


衍射


声波传播时,如果被接近或小于波长的物体阻挡,就会绕过该物体,如果穿过接近或小于波长的孔,就会继续传播向前。孔周围形成环形波并向前传播。这种现象也称为衍射。


双缝衍射图


由于衍射声通过障碍物和孔洞传播并造成能量损失,因此衍射声变得比直达声弱,同时和弦的大小变弱,音色发生变化。因此,当隔着门缝听人说话时,往往很难听清楚说话的内容,也不容易找出是谁在说话。衍射声还会影响听觉器官对原始声源方向的感知,造成“锁孔效应”。但当涉及到双耳效果时,衍射可以帮助人耳辨别声源的方向。


锁孔效应


所谓锁孔效应是指声波穿过小孔后形成的衍射声效应。由于声波在绕射过程中失去了原来的二次辐射方向,听者无法识别原来声场点声源或阵列声源的具体位置,而将孔洞视为声源。因此,无论原来的声场布置声源布局多么复杂,锁孔效果仍然给听者带来点声源的感觉。锁孔效应是单声道平面音视频的理论基础。


反射、回声、混响


声波在传播过程中遇到障碍物返回的现象称为反射。反射声的能量损失取决于障碍物的结构。一般来说,阻隔材料的吸声率越高,反射声的能量损失就越大。当反射声与直达声到达人耳的时间差超过1/20秒时,人耳明显感受到回声。


回声是人耳辨别声场宽度和深度的重要依据。然而,回声会干扰听力,在剧院和大厅建筑中可能是一个需要注意的题。当反射声与直达声的时间差小于1/20秒时,称为有用反射声。有用的反射不仅影响听力,还能丰富和加强直达声。当原始声音与来自各个方向和时间差的有用反射声音混合时,就形成了混响。


混响从最大值下降到小于60dB所需的时间称为混响时间。各频段的混响时间是剧院和音乐厅的重要声学参数。


定位声源


声源的方向是声音的一个重要属性。在人类听觉系统中,声源的方向是创建立体声图像的主要依据。


一般来说,声音存在的地方就是立体声场。这是因为人耳在听到声音时必须注意声音的来源,并对声源的方向有特定的感觉。从这个角度来看,声源定位属于生理和心理概念。然而,人耳感知的声源方向是基于客观物理量化的。这主要表现为振动体的声场位置与其正前方的中心轴之间的关系。


点声源、阵列声源、移动声源


声场中只有一个物体发出声音的情况称为点声源。


当声场中有多个点声源同时发出声音时,这种情况称为阵列声源。


在声场中,物体运动时会产生声音。这种情况称为移动声源。


方形声学特性


方形声学属性代表宽阔、无障碍的声场中的点、阵列或移动声源。此时,声波向各个方向辐射,通常几乎不会引起衍射、反射或混响。因此声音处于原始相位,音色和音量没有经过处理,声音辐射按照现有的衰减参数进行。在这种声场环境下,人耳主要依靠平面直达声来产生声源的方向感。由于上方和后方缺乏反射和混响,声像在正常情况下无法形成环绕声效果。


音乐厅声学特性


当点声源和阵列声源在大厅内发出声音时,由于大厅的空间结构和吸声材料等因素,声音信号形成了一个较为复杂的传播序列。这一系列的波称为音乐厅的声学特性。


当乐队在音乐厅演奏时,传输给观众的声音由以下信号组成


直达声是指将每种乐器的原始声音传送给观众。由于舞台与观众之间的距离不同,声波延迟时间也不同,这个延迟时间平均约为40至50毫秒。直达声是声场中最重要的声音信号。


近反射声是指从舞台前的斜屋顶和舞台两侧的墙壁反射到观众席上的声音。由于声音经反射后到达听众,延迟时间约为2050ms,故称为近反射声。这会恶化并放大直达声。这就是为什么它们也被称为有用反射。


反射声是声波多次反射并在声场墙、坡屋顶、天花板等处产生共振而形成的。理想的音乐厅声音持续时间是18s——22s。混响使直达声更加突出,一定程度上补偿了直达声的能量损失,也起到了聆听真实感的作用。但如果混响超过22秒,就会影响直达声的清晰度,声音变得混乱。


各种用途大厅的混响时间


音乐厅的声学特性是基于生理学、美学和心理学的声学原理,是立体声技术的主要基础。


继续…


总结掌握声辐射特性和声源定位,将帮助您更好地了解音响产品和室内建筑的声学特性,从而帮助您创造绝佳的视听体验。


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一、声场模式是什么意思?

声场模态是指特定环境下声波在空间中的传播形状和分布。它是声源、接收器和周围环境相互作用形成的声波场。


声场模式一般可分为以下几类


1-自由场声源和接收器之间没有障碍物或反射体,声波在空间中以面扩散的方式传播。


2-反射场声源和接收器之间存在障碍物或反射体,导致声波在空间发生反射、衍射、干涉,使声场图形更加复杂。


3-散射场声源和接收器之间存在散射平面或散射面,声波在空间中不规则地散射,使得声场模式更难以预测和分析。


4-聚焦领域通过声束聚焦技术,将声波能量集中在较小的区域,形成高强度声压,适用于超声切割、医学成像等领域。


了解声场模式在声学应用中非常重要。例如,音频设计、声音调试、室内声学优化、声纳检测等需要考虑声场模式对声音传播的影响。


当声波在传播过程中遇到障碍物时,一部分声波会偏离原来的传播路径,绕着障碍物传播。


当声波入射到障碍物时,障碍物受到入射声的激发而成为二次声源,将部分入射声能转化为散射声能并向周围辐射。声波在障碍物周围传播的部分称为散射声波。


二、在超声波探伤中近场区长度是什么意思?怎么计算近场区长度?

波源附近因波干涉而产生一系列最大和最小声压的区域称为超声波场的近场区域。它是声源轴上最后一个最大声压到声源的距离。N=探头直径的平方/4倍波长。因此,检测纵向缺陷时,声束的范围必须大于或等于3N-。


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