无感扩声——声波信号

声音作为一种波,频率在20 Hz~20 kHz之间的声音是可以被人耳识别的。人们把频率高于20000Hz的声音称为超声波,低于20Hz的称为次声波。


物理中声音是由物体振动发生的,正在发声的物体叫做声源。物体在一秒钟之内振动的次数叫做频率,单位是赫兹,字母Hz.人的耳朵可以听到20Hz-----20000Hz的声音.最敏感是1000Hz-----3000Hz之间的声音。正常人能够听见20Hz到20000Hz的声音,人的听力从12岁以后开始下降,而老年人的高频声音减少到10000Hz(或可以低到6000Hz)左右。超声波(高于20000Hz)和正常声波(20Hz - 20000Hz)遇到障碍物后会向原传播方向的反方向传播,而部分次声波(低于20Hz)可以穿透障碍物,俄罗斯在北冰洋进行的核试验产生的次声波曾经环绕地球6圈。超低频率次声波比其他声波(10Hz以上的声波)更具对人的破坏力,一部分可引起人体血管破裂导致死亡,但是这类声波的产生条件极为苛刻,能让人遇上的几率很低。人的发声频率在100Hz(男低音)到1万Hz(女高音)范围内。

蝙蝠就能够听见频率高达12万赫兹的超声波,它发出的声波频率也可达到12万赫兹。狗能够听见高达5万赫兹的超声波,猫能够听见高达6万赫兹以上的超声波,但是狗和猫发出的声音,都在几十到几千赫兹的范围内(蜜蜂发出的声音是翅膀振动导致)。蝴蝶翅膀扇动频率很小,每秒大约5次。所以我们一般听不到蝴蝶翅膀扇动的声音。


声音的产生是由于物体的振动,声音是物质振动产生的波动,需要靠介质传播才能听到。在十八世纪时,科学家们就已经从实验中,证实了声波需要空气等介质来传递的观念。约一千七百年前,意大利的科学家托里切利就提出了,声音是以空气为介质来传递的观念。公元1827年,科学家通过实验证明 ,声音能在水中传递,并同时测出声音在水中的传播速度。在空气中传播的声波是纵波,连续振动的音叉,使周围的空气分子形成疏密相间的连续波形。在纵波中,介质分子的振动力向和波前进的方向平行。

由于声音在不同介质中,传播的速度不同,因而产生了声音的反射与折射现象。声波在行进中遇到障碍物,无法穿越而返回原介质的现象,称为反射,这种声波反射现象也称为回音。

若声音在不同介质中传递,因速度不同而使传播方向发生偏折的现象,称为折射。例如 : “夜半钟声到客船”。夜晚时,由于高空附近温度较高,声速较快,使得声波在行进时,会向下方偏折,因此位于寒山寺里的钟声,才会传到江面上的客船。

衍射:声波,光波等各种波在传播时,如果被一个打小近于或小于波长的物体阻挡,就绕过这个物体,继续进行,如果通过一个大小近于或小于波长的孔,则以孔为中心,形成环形波向前传播,这种现象叫衍射。旧称绕射。

声波在介质中传递的速度,称为声速( 或音速)。声速往往因介质种类、状态等因素而影响其行进的速度。在空气中传播的声速,因空气的温度、湿度、密度…等不同而不同。温度愈高,声速愈快。湿度较大时,声速也较快。物体移动的速度,超过当时空气的传声速度时,称为超音速。

声音还会因外界物质的阻挡而发生折射,例如人面对群山呼喊,就可以听得到自己的回声。另一个以折射为例:晚上的声音传播的要比白天远,是因为白天声音在传播的过程中,遇到了上升的热空气,从而把声音快速折射到了空中;晚上冷空气下降,声音会沉着地表慢慢的传播,不容易发生折射。


白噪声是一种功率谱密度为常数的随机信号或随机过程。即,此信号在各个频段上的功率是一样的。由于白光是由各种频率(颜色)的单色光混合而成,因而此信号的这种具有平坦功率谱的性质被称作是“白色的”,此信号也因此被称作白噪声。

相对的,其他不具有这一性质的噪声信号被称为有色噪声。白噪声从我们耳朵的频率响应听起来是明亮的“咝”声(每高一个八度,频率就升高一倍。因此高频率区的能量也显著增强)。白噪声可以用于放大器或者电子滤波器的频率响应测试。因为这个声音频谱范围广,能量均衡,也被某些音响发烧友用做煲箱信号。

简单说来,粉红噪音的频率分量功率主要分布在中低频段。从波形角度看,粉红噪音是分形的,在一定的范围内音频数据具有相同或类似的能量。从功 率(能量)的角度来看,粉红噪音的能量从低频向高频不断衰减,曲线为1/f,通常为每8度下降3分贝。粉红噪音是最常用于进行声学测试的声音。


分贝是用来表示声音强度的单位,记为dB。人们日常生活中遇到的声音,若以声压值表示,由于变化范围非常大,可以达六个数量级以上,同时由于人体听觉对声信号强弱刺激反应不是线形的,而是成对数比例关系。所以采用分贝来表达声学量值。

声功率是指单位时间内,声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在噪声监测中,声功率是指声源总声功率。单位为W。

声强是指单位时间内,声波通过垂直于传播方向单位面积的声能量。单位为 W / m2。

响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念,它不仅取决于声音的强度(如声压级),还与它的频率及波形有关。(后面还会讲讲人耳听觉效应)

声压级为了能用仪器直接反映人的主观响度感觉的评价量,有关人员在噪声测量仪器——声级计中设计了一种特殊滤波器,叫计权网络。通过计权网络测得的声压级,已不再是客观物理量的声压级,而叫计权声压级或计权声级,简称声级。

声压级以符号SPL表示,其定义为将待测声压有效值与参考声压的比值取常用对数,再乘以20。当响度较小时,人耳对高低音感觉不灵敏,而响度较大时,高低音感觉逐渐灵敏,而对2000Hz~5000Hz之间的声音最为敏感。


频域掩蔽,一个强纯音会掩蔽在其附近同时发声的弱纯音,这种特性称为频域掩蔽。

时域掩蔽,除了同时发出的声音之间有掩蔽现象之外,在时间上相邻的声音之间也有掩蔽现象,并且称为时域掩蔽。

时间掩蔽,同步掩蔽效应和不同频率声音的频率和相对音量有关,时间掩蔽则仅仅和时间有关。

特殊的心理声学效应──余音、掩蔽、非线性、双耳效应。在工业生产上,噪声的掩蔽效应是广泛存在的。这一掩蔽效应经常使操作人员听不到事故的前兆和警戒信号(行车信号、危险报警信号等)而发生工伤事故。另外,由于噪声掩蔽了指令信号而引起误操作亦会导致事故的发生。

人的头骨在振动。你的声音来自喉咙的下部,借助肺部排出的空气通过你的声带,产生振动而发声。这声音然后被喉头部分放大,再被你的嘴唇舌头组织成文字,通过周围的环境回响出去,进入听者的耳朵,刺激他们的鼓膜及内耳结构,将模拟波形转变为电信号,最终传递给大脑理解。然而,内耳不仅仅拾取外部来源的声音。身体内部的振动也能够激发这些听觉结构。当你说话时,声带的快速颤动实际上带动你的颅腔振动。“当你说话时,声音在你的喉咙里振动,顺带振动你的皮肤,颅骨和口腔,我们把这些也当作声音。但声音在骨头里传播可不像在空气里传播一样容易。其中增加的阻力导致声波频率下降,降低了你听到的音调,从而造成一种反馈现象,刺激鼓膜既接受从空气中传来的声音,也接受颅骨振动产生的刺激。这个效果导致你无法真正听到你自己的声音。因为你的耳朵一般处于你嘴的后面,从嘴里吐出的声音必须首先击中某个物体才能反弹回你的耳朵里。这也导致声波的能量损失,也就是频率和音调,结果就是相比于其他人直接听到你嘴里的发声,你听到的是扭曲的,略低的声音。这两种声音(内部的和外部的)被你大脑整合成一种听觉信号,也就是“自己的声音”,不过其实是带了重低音的。


计权网络是一种特殊滤波器,当含有各种频率通过时,它对不同频率成分的衰减是不一样的。A、B、C计权网络的主要差别是在于对低频成分衰减程度,A衰减最多,B其次,C最少。A、B、C、D计权的特性曲线等效连续声级、噪声污染级和昼夜等效声级。加权概念是指滤波器响应的相对整形,因而模仿在某一响度级的人耳。A、B、C和D四种被用来简化并加到等响曲线区域上,这些区域对描述人耳对真实世界应用的频响最有意义。

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