声学定义和音高单位

 

一、什么是声学

 

声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的分支学科。声学，英文Acoustics，指研究机械波的产生、传播、接收和效应的科学。声学作为一门跨层次的基础性学科，研究从微观到宏观、从次声（长波）到超声（短波）的一切形式的线性与非线性机械波现象。随着19世纪无线电技术的发明和应用，声学研究方向已出现很多分支：基础声学、环境声学、非线性声学、量子声学、分子声学、次声学、超声学、光声学、电声学、热声学、建筑声学、语言声学、物理声学、生物医学声学、水声学、大气声学、海洋声学、地声学、生理声学、音乐声学及声化学等。

 

二、声音的产生和传播

 

声音是物体产生的机械波，通过空气传播到耳朵，例如：人说话通过声带的振动。声音传播通常通过空气。一个鼓面或声带等的机械波传递到附近的空气，这些粒子把机械波又传递到更远的地方，这样连续传递直到最初的声能渐渐耗尽。压力向邻近空气传播的过程产生我们所说的声波。声波在传播过程中，在介质间会有声波能量的反射、吸收和穿透。见图1声波碰到室内某一界面后传播解剖图：当声波（Eo）碰到室内某一界面后（如天花板、墙壁），一部分声能被反射（Er），一部分被吸收（主要是转化成热能）（Ea），一部分穿透到另一空间（Ei）。

  图1 声波声波碰到室内某一界面后传播解剖图

Eo ＝ Ey＋Ea＋Ei1、透射系数：2、反射系数：3、吸声系数：三、声音的强度

 

声音的强度，形象也称为响度、音高或音程，取决于机械波的振幅：譬如用力地敲一根弦时，这根弦就大距离地向左右两边摆动，由此产生强机械波，发出一个响亮的声音；而轻轻地敲一根弦时，这根弦仅仅小距离左右摆动，产生的机械波弱，而发出一个微弱的声音。声速一定时，声音的高低强度取决于机械波的波长，较短的空间产生的波长较短，较长的空间产生的波长较长，如小音箱比同类型的大音箱波长短，音调高。同样的道理，短弦的发音比长弦高；个子矮的人比个子高的人声音高等。声压和声强有密切的关系，在自由声场中，测得声压和已知测点到声源的距离，就可计算出该测点之声强和声源的声功率（声能）。

声行波强度用单位面积内传播的功率（以W/m2为单位）表示，但是在声学测量中，有时功率不易直接测量得到，所以有时会用压强差（又称声压）代替声强来表示强度。3.1、声压级Lp：取参考声压为Po=2*10-5N/m2为基准声压，任一声压P的Lp为：声强I与声压P的关系式中，Zc是媒质的声特性阻抗，Zc=ρC，即在相同温度和压强下，声强与声压的平方成正比，比例系数受温度、介质压强和介质属性的影响。声压增加10倍，声强则增加100倍，分贝数增加20。所以声压为其基准值的100倍时，声强级是40dB。在使用声强级或声压级时，基准值必须说明。在空气中，ρс≈400，声强的基准值常取为10-12W/m2，与这个声强相当的声压基准值约为20μPa（即2×10-5N/m2，会受温度影响），这大约是人耳在250Hz所能听到的最低值。这时声强级为0dB（这是在空气中，并选择了适当的基准值情况下）。

人耳听觉下限：p=2×10-5N/m2，Lp为0dB；

能量提高100倍：P=2×10-3N/m2，Lp为20dB；

人耳听觉上限：P=20N/m2，Lp为120dB。

3.2、声功率级Lw：取Wo为10-12W为基准声功率级，任一声功率W的声功率级Lw为：3.3、声强级LI：取Io为10-12W/m2为基准声强，任一声功率W的声强级LI为(dB)：

在声学中常见的声强范围非常大，所以一般用对数表示，称声强级，单位是分贝（dB）。先选一个基准声强值，一个强度等于其基准值10000倍的声，声强级称40dB，强度1000000倍的声则强度级为60dB。3.4、声压级的叠加几个声源同时作用时，某点的声能是各个声源贡献的能量的代数和。因此其声压是各声源贡献的声压平方和的开根号，即：

声压级Lp为：

这样一来，问题就来了：声压级计算中10dB+10dB和0dB+0dB以及0dB+10dB是多少，可不是简单的相加关系，根据对数公式和上面分析，答案应分别是：13dB、3dB、10dB。也就是说，两个数值相等的声压级叠加后，像上面的10dB+10dB和0dB+0dB，总声压级只比原来增加3dB，而不是增加一倍。此外，两个声压级分别为不同的值时，其总的声压级为：

以上叠加结论，对于声强级LI和声功率级Lw同样适用。