數字音響技術基礎第1頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華2

聲壓：當有聲波存在時，在原來的靜態氣壓上附加了一個壓力的起伏變化。這個由聲波引起的交變壓強稱為聲壓。聲壓的大小表示聲波的強弱。在一定時間內，瞬時聲壓對時間取均方根值稱為有效聲壓。正常人能聽到的最弱聲音約為2×10-5Pa，稱為參考聲壓，用符號Pr表示。人耳主觀感受的響度正比于聲壓的對數值。SPL為聲壓級，Pe為聲壓有效值，Pr為參考聲壓。聲波在傳播中會產生反射、繞射和干涉等現象。第2頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華32.2聽覺的基本特性聽覺形成的基本機理：由聲源振動發出的聲波，通過外耳道、鼓膜和小聽骨的傳導，引起耳蝸中淋巴液和基底膜的振動，并轉換成電信號，由神經元編碼形成脈沖序列，通過神經系統傳遞到大腦皮層中的聽覺中樞，產生聽覺，感受到聲音。人耳能夠接收頻率為20Hz～20kHz的音頻；可以感受聲壓為2×10-5～2×102Pa的聲波。第3頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華4可聞聲、聽閾和痛域

可聞聲是指正常人可以聽到的聲音頻率范圍：20Hz～20kHz，稱為音頻。20Hz以下稱為次聲，20kHz以上稱為超聲。人耳對中頻段1～4kHz的聲音最為靈敏，對低頻和高頻段的聲音則比較遲鈍。正常人能聽到的強度范圍為0～140dB。使聲音聽得見的最低聲壓級稱為聽閾，它和聲音的頻率有關。使耳朵感到疼痛的聲壓級稱為痛域，120dB時，人耳感到不舒適；聲壓級大于140dB時，人耳感到疼痛；聲壓級超過150dB時，人耳會發生急性損傷。第4頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華5響度、音調和音色（聲音三要素）響度俗稱音量，是指人耳對聲音強弱的主觀感受。響度不僅正比于聲音強度的對數值，而且與聲音的頻率有關。規定以1000Hz純音的聲壓級定義為響度級，單位為“phon”(方)。在放音時，特別是小音量放音時，為了不改變原始音色，就應借助等響曲線所揭示的聽覺特性對低頻和高頻進行頻率補償，這就是所謂響度控制電路。第5頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華6等響曲線第6頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華7

音調又稱音高，是指人耳對聲音音調高低的主觀感受。音調主要決定于聲音的基波頻率，基頻越高，音調越高；同時還與聲音的強度有關。音調的單位是“美”，頻率為1000Hz、聲壓級為40dB的純音所產生的音調定義為1美。聲音基頻每增加一個倍頻程，音樂上稱為提高一個“八度音”。音色是指人耳對聲音特色的主觀感受。音色主要決定于聲音的頻譜結構，還與聲音的響度、音調、持續時間、建立過程及衰老過程等因素有關。聲音的頻譜結構用基頻、諧頻數目、幅度大小及相位關系來描述。第7頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華8聽覺靈敏度聽覺靈敏度是指人耳對聲壓、頻率及方位的微小變化的判斷能力。聲壓級在50dB以上時，人耳能分辨出的最小聲壓級差約為1dB；而聲壓級小于40dB時，要變化1～3dB才能覺察出來。頻率為1000Hz、聲壓級為40dB的聲音，變化3Hz就能覺察出來，當頻率超過1000Hz、聲壓超過40dB時，人耳能覺察到的相對頻率變化范圍（△f/f）約為0.003。第8頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華9掩蔽效應掩蔽效應是指同一環境中的其它聲音會使聆聽者降低對某一聲音的聽力。一個較強的聲音往往會掩蓋住一個較弱的聲音，特別是當這兩個聲音處于相同的頻率范圍時。第9頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華102.3立體聲基本原理立體聲是一個應用兩個或兩個以上的聲音通道，使聆聽者所感到的聲源相對空間位置能接近實際聲源的相對空間位置的聲音傳輸系統。立體聲成分：第一類為直達聲。直達聲能幫助人們確定聲源方位。第二類為反射聲。反射聲給人空間感，可以感受到音樂廳的空間大小。第三類為混響聲。由于大量的反射聲在廳堂內經過各個邊界面和障礙物多次無規則的入射和反射，形成漫無方向、彌漫整個空間的散射，即使樂器停止發聲后，廳堂內的聲音仍延續一個瞬間，這種裊裊余音稱為混響聲。建立起來的混響聲從強度最大值到衰落60dB為止，這段時間稱為混響時間。混響給人包圍感，可以感受到聲音在三維空間環繞。反射聲和混響聲共同作用，綜合形成現場環境音響氣氛，即產生所謂臨場感。第10頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華11立體聲的特點（1）具有明顯的方位感和分布感用單聲道放音時，即使聲源是一個樂隊的演奏，聆聽者仍會明確地感到聲音是從揚聲器一個點發出的。而用多聲道重放立體聲時，聆聽者會明顯感到聲源分布在一個寬廣的范圍，主觀上能想象出樂隊中每個樂器所在的位置，產生了對聲源所在位置的一種幻像，簡稱為聲像。幻覺中的聲像重現了實際聲源的相對空間位置，具有明顯的方位感和分布感。（2）具有較高的清晰度用單聲道放音時，由于辨別不出各聲音的方位，各個不同聲源的聲音混在一起，受掩蔽效應的影響，使聽音清晰度較低。而用立體聲系統放音，聆聽者明顯感到各個不同聲源來自不同方位，各聲源之間的掩蔽效應減弱很多，因而具有較高的清晰度。第11頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華12（3）具有較小的背景噪聲用單聲道放音時，由于背景噪聲與有用聲音都從一個點發出，所以背景噪聲的影響較大。而用立體聲系統放音時，重放的噪聲聲像被分散開了，背景噪聲對有用聲音的影響減小，使立體聲的背景噪聲顯得比較小。（4）具有較好的空間感、包圍感和臨場感立體聲系統能比單聲道系統更好地傳輸近次反射聲和混響聲。音樂廳里的混響聲是無方向性的，它包圍在聽眾四周；而近次返射聲雖然有方向性，但由于哈斯效應的緣故，聽眾也感覺不到反射聲的方向，即對聽感來說也是無方向性的。單聲道系統中，重放的近次反射聲、混響聲都變成一個方向傳來的聲音；而立體聲系統中，能夠再現近次反射聲和混響聲，使聆聽者感受到原聲場的音響環境，具有較好的空間感、包圍感和臨場感。

第12頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華13聽覺定位機理(平面、距離、高度）1、聲源平面定位（1）時間差（2）相位差（3）聲級差（4）音色差第13頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華14

2、聲源距離定位人耳對聲源距離的定位，在室外主要依靠聲音的強弱來判斷，在室內則主要依靠直達聲與反射聲、混響聲在時間上、強度上的差異等因素來判斷。3、聲源高度定位由聲波在垂直面上的入射角（仰角）和直線距離決定。

耳殼效應：耳殼有特殊形狀，聲波由不同方向入射到不同部位，反射到耳道口的聲程不同，時間差形成反射波與直達波在不同頻率上的疊加，形成一種和聲源方向有關的梳狀頻譜特性，耳殼神經據此判斷聲源方位（4kHz有效）第14頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華15雙揚聲器定位

實驗裝置第15頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華16雙揚聲器聲像定位聆聽重放的立體聲時，聽覺器官幻覺中的聲源位置稱為聲像。聲像分布、聲像清晰度是最終體現立體聲效果的要素。實驗結果：當兩聲道信號完全相關時，聆聽者感覺到的是點狀聲像；當信號不完全相關時，形成的是統一的較寬的聲像；如果放送的兩個信號互不相關，無論強度差或時間差為何值，聆聽者均感到兩只揚聲器各發出各自的聲音。聲像分布：當聆聽者位于雙揚聲器中心線時，感覺到的聲像分布與聲源聲級差、頻譜差、相位差及時間差有關。第16頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華17聲像分布與聲級差及頻率域的關系

聲像分布與聲級差及頻率域的關系，用正弦定理來描述：式中θ是聲像方位角，α是聆聽角，L、R分別為左、右兩聲道的信號強度，K是修正系數。當信號頻率f≤700Hz時，K=1；當f＞700Hz時，K=1.4在制作立體聲節目時可用一個以700Hz為轉折頻率的“階梯頻響校正電路”，使高于700Hz的信號強度下降3dB，校正特性如圖2–8所示。這種預先校正可以避免復音聲像變寬，清晰度下降的現象。第17頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華18700f(Hz)–3dB10.707K圖2-8階梯頻響校正特性第18頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華19聲像清晰度（與聲像寬度有關）寬度越小，聲像清晰度越高。因為人對聲源的方向定位精度會隨著偏離正前方而下降，所以聲像的寬度在揚聲器基線上也不是等寬分布，靠近揚聲器處聲像寬度增大。實驗證明：在基線的中間段，室內聽音的聲像寬度約為7B%，戶外聽音的聲像寬度約為9B%；在基線兩側揚聲器處，聲像寬度達20B%，聲像清晰度下降。聆聽者在最佳位置聆聽立體聲時，最多能辨別的聲像數約為7～10個。揚聲器的間距，即基線長度B的最佳值為2～3.4m，最佳聆聽區在中心線兩側一個狹長的區域內。第19頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華20雙聲道立體聲拾音1、A–B制：A–B制拾音方式是將兩只型號及性能完全相同的傳聲器并排放置于聲源的前方，傳聲器可選用全指向性的或單指向性的。2、X–Y制：X–Y制拾音方式采用兩只型號及特性完全一致的傳聲器，上下靠緊安裝在一個殼體內，構成重合傳聲器。兩只傳聲器的指向性主軸形成90～120°的夾角，采用這種拾音方式，兩只傳聲器拾得的信號幾乎不存在時間差和相位差，而只有聲級差。

第20頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華213、M–S制：M–S制拾音方式是將一只傳聲器M的指向性主軸對著拾音范圍的中線，而另一只傳聲器S的指向性主軸則向著兩邊，兩只傳聲器的指向性主軸夾角為90°。通常，M傳聲器采用全指向性或心形傳聲器，而S傳聲器則必須采用雙指向性傳聲器。4、仿真頭制：用立體聲耳機收聽，真實感很強，立體聲效果很好。但是，不能用雙揚聲器來放聲，否則會引起附加的時間差和聲級差，立體聲效果很差。第21頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華22+–MS左聲道右聲道L=M+SR=M–S圖2-11M-S制拾音方式第22頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華232.4室內聲學

音響效果與室內聲學特性有著密切的聯系。對音響效果有決定作用的室內聲學特性包括3個方面，即室內聲場分布、隔音效果和混響效果。混響時間：混響聲從最強值到衰落60dB為止，所經歷的時間稱為混響時間。混響時間估算第23頁，課件共24頁，創作于2023年2月2023/7/24電子科學與技術教研室覃善華24最佳