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1、声学与声品质,第一章：声学的基本术语和定义第二章：声品质第三章：声品质的定量分析第四章：声全息,北京朗德科技有限公司,第一章：声学的基本术语和定义,1、声学参数：2、用对数标尺度量声学参数3、声计权4、噪声5、声音与振动的关系 （约30分钟）,1、声学参数：,（1）声压（2) 声强（3）声功率 (4) 自由场 (5) 扩散场 (6) 吸声系数 (7) 声阻抗,（1）声压,声波作用于物体上的效果产生声压P，单位是Pa（帕），以正常人耳的听觉为例，在1000Hz的频率下，可听到的最弱的声压为2乘10的-5次方Pa，称之为听阈声压，人耳感觉疼痛的声压为20Pa，称之为痛阈声压。,（2）声强,单位时间
2、内通过单位面积的声能，声强是垂直于声波传播方向上，以I表示，单位是W/m2。,（3）声功率,声源在单位时间内辐射的总声能，称之为声源的声功率，用P表示，单位是W，它等于包围声源的一个封闭面上的声强总和。例：在自由声场中，声波无反射地自由传播，点声源向四周辐射球面波，其声功率为 是距离点声源为r处的声强。,例：如果声源在开阔空间的地面上，声波只向半球面辐射，此时声功率,（4）自由场,自由场指一种理想化的声场，其各处的声能量流方向均背离声源，声压和声强均随测量点离声源距离的增加按反平方律而降低。在自由声场中，声波将声源的辐射特性向各个方向不受阻碍和干扰地传播。如：消声室，房间中的声场基本上可以认为
3、是自由场。若消声室地面用作反射面，则这时的声场为半自由场。,消声室,全消声室: 半消声室:房间六面都具有消声作用 除地面外，另五面具有消声作用,（5）扩散场,也称为混响场。在混响场中，声波来回地发生全反射，从而使得各处的声强都等于零。从统计观点来讲，可认为声束通过任何位置的几率是相同的，并且通过的方向也是个个方向几率相同的，由此造成室内声场的平均能量密度分布式均匀的。这样的均匀声场称之为“扩散声场”,混响室,能在所有边界上全部反射声能，并在其中充分扩散，使形成各处能量密度均匀、在各传播方向作无规分布的扩散场的实验室。其用途主要是：测定材料的吸声系数，空气中的声吸收，声源和机器、设备等的声功率及
4、频谱，测量某些电声器件和设备的效率等声学性能以及对灵敏机件作噪声疲劳试验等。,（6）吸声系数,当声波在室内碰到墙壁（包括天花板与地面）时，如果壁面并非刚性，它对声波具有一定的吸声能力，那么一部分入射波就要被壁面吸收，被壁面所吸收的能量与入射能量的比值称为壁面的吸声系数。,（7）声阻抗（Z）,声阻抗定义为媒质的质量密度和声速的乘积： Z = c其中， 质量密度（ kg/m3 ）c 媒质中的声速（m/s）声阻抗 Z的单位为瑞利（kg/m2s ）,2、用对数标尺度量声学参数,在确定声压、声强等声学参数时，习惯上规定环境温度20摄氏度，大气压等于一个标准大气压，即102.3 kPa （1bar ），作
5、为标准状态。该状态下：,dB 标尺,由于可检测到的声压幅值范围很大，而人耳对声压刺激的反应与对数规律有关，习惯上在表示声学参数时，都是取测量值和参考值比率的对数值，即采用dB 标尺。其声压、声强和声功率的参考值规定如下：,当P=P0时，为0dB;当PP0时，为+；当PP0时，为,与上面声强和声功率的参考值相对应，有效值参考声压为：P0=0.00002(Pa)=20Pa由听阈声压到痛阈声压的声音强弱可以由0-120dB的声压级来表示。声压级习惯上常流行的符号为SPL，但目前国际上采用推荐的符号为Lp。声压级是反映声音的大小、强弱的最基本参量。,假如某一处的声压比参考声压大100倍，那么它们的比值
6、就是100，取常用对数再乘以20，则该处的声压级为40dB。同理，假如某一处的声压比参考声压大100000倍，那么它们的比值就是100000，取常用对数再乘以20，则该处的声压级为100dB。从这两个例子可以看出，声压与参考声压的比值从100倍变为100000倍，增加了1000倍，用声压级表示仅增加了60dB，可见用声压级表示声音的大小，比采用声压来表示要简单的多。,采用分贝(dB）来表达声学量值的主要原因，是由于人体听觉系统对声音强弱刺激的反应不是按线性(即逐渐加大）的规律变化的，而是成对数比例关系变化的，所以采用对数的分贝值可以适应听觉本身的特点。其次，日常生活中遇到的声音，若以声压值表示
7、，变动范围是很宽的，当用对数换算后，就可以大为缩小声压的变化范围(从数值上看），因此用分贝来表示声学的量值是科学的。 声压级习惯上常流行的符号为SPL，但目前国际上采用推荐的符号为Lp。声压级是反映声音的大小、强弱的最基本参量。,休息5分钟,人类只能听到20Hz20KHz的声音，低于20Hz的声音为次声，高于20KHz的声音为超声。,3、声计权,频率计权人耳对声音的反应具有非线性特性和频率相关特性，这意味着对响度的感觉不能完全由声压级或它的谱来描述。用它模仿人耳对不同频率声音的灵敏性进行不同程度的衰减，使得仪器的输出能近似地表达人耳对声音响度的感觉。显然，这样的仪器测得的声压级不是声音原来的声
8、压级，不是客观的物理量，已是认为的、表达主观评价的量。这种声压级成为计权声压级。,IEC651-79 标准规定A、B、C 三种声信号计权函数。A 计权相当于用40方的等响度曲线（倒置）去修正频响。A 计权声级被证实是人耳对声压主观反应的极好校正，较好的模仿了人耳低频段（500Hz以下）不敏感，对1000-5000Hz敏感的特点。B 计权和C 计权则分别相当于70 方和100 方等响度曲线的倒置。这些计权曲线如图4-2 所示。经过计权的声压级记作,L A, LB ， 而单位则写成dB（A）, dB（B）。,标准计权曲线,表2 列出三种类型滤波器的衰减或放大相对响应值。声信号的计权,4、噪 声,在
9、通常情况下，我们往往把那些不希望听见的声音称为噪声，如环境噪声、交通噪声等。,Communication/warn交谈/报警声,按照声源不同，噪声可分为：空气动力噪声由气体振动产生。气体的压力产生突变，从而引起噪声，空气压缩机、电风扇的噪 声属此类。机械噪声由固体振动产生。金属板、齿轮、轴承等设备运行时，受到撞击摩擦及各种突变机械力的作用，会产生振动，引起噪声。液体流动噪声液体流动中，由于液体内部的摩擦，液体与管壁的摩擦，或流体的冲击，都会引起液体和管壁的振动，产生噪声。,按照时间变化特性，噪声可分为：稳定噪声噪声的强度随时间变化不显著，如电机、织布机的噪声。周期性变化噪声噪声的强度随时间有规
10、律的起伏，周期性的时大时小地出现，如蒸汽机车的噪声。无规噪声噪声随时间起伏变化无一定的规律，如街道交通噪声。脉冲声噪声突然爆发又很快消失，持续时间不超过1s，并且两个连续爆发声之间间隔大于1s，如冲床噪声。,噪声的频谱,噪声的主要特点是：具备一定强度，用声压级表示；具有不同的频率成分，用频谱表示。噪声之所以可以区分就是它们具备了这两个特点的缘故。,20 HzAudible range20kHz,纯音 只包含一个频率成分的声音。,大部分声音是复杂的，包含很多振幅不同的纯音。能量包含在一系列不连续的频率之中。乐器有特定的频率，组合在一起成为音乐。,实际上，机器运转时的噪声都是不只一个频率的声音，它
11、们是从低频到高频无数频率成分的声音的大合奏。有的机器高频的声音多一些，听起来高亢刺耳，如电锯辐射的主要噪声成分在1000Hz以上，这种噪声称为高频噪声。有的机器低频率声音多一些，听起来低沉有力，如空压机辐射的主要噪声成分在500Hz以下，我们叫做低频噪声。有的机器较为均匀地辐射从低频到高频的噪声，如纺织机，我们称之为宽频带噪声。,5、声音与振动的关系,声音产生的根源是因为有振动；振动的频率与声音频率相对应，根据声音的频率查找振动；,(噪声振动测量),噪声和振动水平的客观评价计算( 量化定义, 倒谱, 倍频程限制, 总体声压级, 语音可懂度)(找到信号中的特殊成分)( 噪声源识别 ),Vibra
12、tion problem identification 振动问题诊断,车内的振动和噪声谱的相关, 可以帮助我们找到噪声源,Noise spectrum dB(A)噪声谱,Vibration spectrum (g)振动谱,?,Noise and Vibration time history (s) 噪声和振动时域 (s),中间休息5分钟！,第二章：声品质,1、声品质的基本概念2、声品质的分析 （20分钟）,（1）声信号、可听声频,人类能听到的声频率上限为 20kHz。低于这一频率限值的信号称为声信号（audio signals）。为了避免出现频率混淆，对声信号采样，必须保证采样率至少 大于该频
13、率限值的两倍。你会发现，一般CD（光盘）记录器使用的采样率为44.1kHz，而DAT（数字式磁带数据记录仪）使用的采样率为48kHz，就是这个道理。,（2）人对声音的感觉,为什么人们对两种有相同 dB 值的声音会有可能完全不同的主观感觉呢？ 最主要的原因在于“听”的生理过程；1）人耳是一种复杂的非线性接收装置，具有特殊的、与频率相关的传导特性。2）“听”通常涉及到两耳（binaural），这也会影响对声音的感觉。 这里还存在心理学因素的影响，诸如听者的姿势、经历、期望、环境、当时的前前后后情况等。结论是，无论你在量化和模型化方面作出怎样的努力，没有什么比人的听觉更好的评判（judge）声品质的
14、方法。,（3）双耳听觉,1）左耳和右耳接受的声信号在时间上存在相对的延迟，感受的声压谱因声音的方向不同而存在差别。2）人脑的处理功能不仅能对声音作出空间上的定位，而且能抑制不想听的声音，并把听力凝聚在某一来自特定方向的声音。这就是所谓的“派对”（party）效应，即一个人的听力可以聚焦在某方向确定的距离处，而不理睬明显的背景噪声的存在。,同样声压级和1/3倍频程频谱， 不同响度级,77.0 dB(A), 36.7 sone,77.0 dB(A), 14.0 sone,good,3rd octave spectrum 1/3倍频程频谱分析,spec. Loudness 指定响度级,spec. R
15、oughness指定粗糙度级,“noisy”不好的声音,- 3 dB,“good”好的声音,3rd octave spectrum 1/3倍频程频谱分析,spec. Loudness 指定响度级,spec. roughness指定粗糙度级,车厢内的发动机抖振声, 3档加速过程,好,差,2、声品质分析,声品质的基本问题之一是“你听到的不是你得到的”。声学的大多数问题或声学的研究方向，都是对声学舒适性，而不是听力损伤或结构损伤。 声信号分析所有关心的问题都指向去测量、评价和改变声信号。主要包括以下步骤: 测量、双耳记录和回放、评价、修改,选择测量分析工具,如果你选择的分析工具可以达到下面的分析效果
16、，那么你对该声音信号和其它传感器采集的信号就运用了正确的分析工具看见了你和你的用户所听见（投诉）的声音要做到这一点，你首先必须要仔细监听声音文件，并且你应该对这种声音很熟悉，这样你才能选用正确的分析工具进行分析。不要不加思索就选用一种分析工具，要先想想该分析工具的分析结果是否有效。,评价,为评价声品质特性，不同的（非排他性的）可能途径如下：a. 声信号可由专家或听众评判员进行主观评价。为此，可重放数字记录仪记录的信号，或者直接将模拟式输出信号传送至头戴受话器（耳机）或扬声器。当采用直接回放方式时，可循环地重复播放某一特定的记录段，并在技术上提供对记录段起端和末端出现“咔哒”声的抑制，其作用如同
17、在线的陷波滤波器。而陷波滤波器则用于关键的声谱性质的快捷评估。b. 对声压信号作某些特殊的处理，通过得到各种声品质度量数据，给出声感觉的定量分析。这些声品质度量就成为声舒适性（comfort）分析的组成部分。,声音的真实记录和再现,声音的真实再现（运用双耳技术）可以把听者带回到原始的声场环境中去在进行听觉测试或音质测试时，由于可以真实再现原始的声场环境，就可以最大限度的避免产生差异在人脑进行正常的信号处理情况下，使声质量评价的精度更高，结果更准确。,1976Fundamental experiments in head-related recording technology using a
18、special arrangement of defined positionable and equalized probe microphones1976年从事基础的基于人头的录音技术研究，使用特殊的可定位等效传声器来录音,1982First calibratable Artificial Head Measurement System with true-to-the-original head and pinna simulation and transfer characteristics comparable to human hearing1982年首次推出可校准的人工头测量系统
19、，以真实人头为原型，其特性和人耳听觉相类似。,Since 1989Artificial Head Measurement System HMS II including mathematically describable, simplified geometry and typical directional pattern自从1989年推出人工头测量系统HMS II结合了数学计算并简化了几何结构,数字人工头HMS ,Squadriga -8通道采集前端,Listening Studio试听室,在试听室中进行声质量主观评价的工作流程,休息5分钟,人耳听觉对声音的印象取决于心理声学的参数：响度
20、、尖锐度、粗糙度、抖动度等；可以说，评价声品质的最佳方法，是组织专家和一般听众直接听和发表看法。然而，在许多场合下，人们对这些主观评价与各测量参数之间的相互关系，表示浓厚的兴趣。为此，专家们提出多种声品质的度量办法，它们都是对声压信号作分析计算，得到与感觉相关的定量度量。包括： 声压级 响度 尖锐度 粗糙度 抖动强度 音高 清晰度指数 语言干扰级 声冲量 10分钟,第三章：声品质的定量分析,响度（Loudness）,响度，40dB1kHz纯音为1宋（sone）等响曲线对纯音有效，它描述给定频率、给定声压级的纯音与参考音比较时的实际感觉响度，所得到的值称为“响度级”。响度级的单位为方（Phon）
21、。1kHz 的纯音被选做参考音。这意味着对1kHz的纯音来说，方（Phon）的值就等于声压级dB 值。,尖锐度（Sharpness）,尖锐度是声音是否使人愉悦的一种感觉，用以区别声音是尖锐（sharp），抑或沉闷（Dull）。高频段声音占总体声音中的比例；一种推荐的量化处理，是将尖锐度表示单位取为“acum”(acumer 的缩写)。1 acum 的参考声为中心频率1kHz，声压级60dB，带宽等于一个临界带的窄带噪声。,声音的调制程度,国际上标准的计算调制程度的评价量有两个：Fluctuation 起伏度（抖晃度）Roughness 粗糙度这两种参数虽然是评价同一个声音特性，但是人的听力对它
22、们的感受却是不同的。用调制谱分析这一工具对声音的调制情况的分析也是有帮助的。,粗糙度（Roughness）,粗糙度是声音受到幅值调制时的声品质评价指数。当调制频率很低时（低于20Hz），可直接感受到时变的响度抖动。调制频率高至 20200 Hz 时，可听到三种不同的音。而在中间不高不低的调制频率（约为20200Hz）下，感觉到的是稳定的，然而却是粗糙的、令人感觉厌恶的声音。这种感觉常伴随发动机噪声出现，其分数谐波可能引起这样的调制效果。 用于表述粗糙度的单位为“asper”(asperity 的缩写)。规定以1 kHz，60dB 的纯音被70Hz、100调制时的粗糙度为1 asper。,抖动（
23、Fluctuation）度,当声音的调制频率低于 20 Hz 时，可直接感觉到音量随时间的变化。起伏程度是评价人的听觉对缓慢移动的调制声音的感受。比之有同样RMS 值的平稳声信号，抖动声信号显得更响（从而更加烦人）。这种情况下，感觉到的强度称为“抖动强度”，单位为“Vacil”（vacillate 的缩写）。1 kHz，60dB 的纯音受到4Hz，100的幅值调制时，规定为1 Vacil。起伏程度大的声音听起来要比粗糙度大的声音烦躁得多。起伏程度是和粗糙度相对应的量，但是起伏程度却更适合评价20Hz以下调制频率的声音。人的听力对高频率调制声音的粗糙度敏感，而对低频率调制声音的响度起伏程度敏感。
24、,Two Tones: Different Sensations两个纯音信号：不同的听觉感受,Sine Tone 1 kHz,Sine Tone 1 kHz and 1001 HzInterferenz,Sine Tone 1 kHz and 1004 HzFluctuation,Sine Tone 1 kHz and 1020 HzR-Roughness (Rumbling),Sine Tone 1 kHz and 1070 HzRoughness,Sine Tone 1 kHz and 1414 HzTwo Tone Complex,Two-tone experiment: Fluctua
25、tion Strength and Roughness vs. Time 两个纯音测试分析结果：起伏程度和粗糙度随时间变化关系,Fluctuation strength vs. Time,Roughness vs. Time,Spectrum vs. Time(2 tones in phase at start, 200 Hz different at end),Side question: when does one pitch(subjective frequency) become two?,音高（Pitch）,音高是声音的一种属性，它以由低至高的标尺对音作分类。对于纯音，音高主要依赖于
26、音频，但也受到声压级的影响。对于由多个谱分量组成的复合音，可感觉到一个或多个音高。这些音高，也是在很大程度上依赖于组成复合音的各分量的频率，但也可能发生掩蔽效应，使得某些音高比其它音高更为突出。纯音或复合音的音高，可以由信号的谱分布求出，称为谱音高（spectrulpitches）.,清晰度指数（Articulation index 或AI）,清晰度指数是以保证交谈的私密性观点提出的参数。交谈的私密性可定义为背景声或噪声侵扰正常交谈的“免以”程度，它提供私密性的正面品质评价。噪声对语言的掩蔽造成的干扰作用，可通过对噪声频谱（1/3 倍频程带）按其对语言可懂度影响的重要程度适当加权，由经过加权的
27、谱求出清晰度指数。,语言干扰级（SIL,PSIL）,以对语言的领会作为目标的话，背景声或噪声作为语言的干扰起负面作用，它可能对工作环境造成骚扰甚至危险，如果在该场所内所有对话必须得到正确理解的话。为此，学术界提出了一种称为“语言干扰级”（SIL)的噪声评价指标。按 照 班 涅 克 的 原 始 定 义 ， SIL 定义为6001200Hz ， 12002400Hz 和24004800Hz 三个频带声压级的算术平均值。后来，由于新规定了所谓优先倍频程带的设限，SIL 被改称为优先语言干扰级（PSIL），规定其为500Hz，1000Hz和2000 Hz 三个倍频程带声压级的算术平均值,冲激量（Imp
28、ulsiveness）,冲激量用于量化信号的冲激性质。它用于要求量化柴油发动机噪声的场合。冲激量的算法基于信号的包络分析，其结果以多个输出值表示：包括平均脉冲峰值电平，平均脉冲上升斜率和平均脉冲作用时间。,第四章：声全息,声全息用于精确定位噪声源。以便有效缩减不希望的声振噪声，或优化噪声级。 评估被考察物体所发射的声功率和声谱。 用彩色图象表示测量平面和其它平行平面上的声压、质点速度和声强的分布状况。测量平面之外的（近场和远场）的声学量彩色图象可经由声全息分析而得到。 评估主声源产生的声级，包括贡献量分析。,基本原理,声全息需要测量一组参考传感器与声全息传声器之间的互功率谱，据此求出声强、质点
29、速度和声功率的值。一个基本前提是，测量是在自由场环境进行的。在自由场中，声能量流直接来自声源。测量面要求充分靠近声源。声全息提供声场和声源精确的三维特性，比一般的声腔测量有更高的空间分辨率。,声源定位的革命性解决方案,The Acoustic Camera-GFai,声学相机的广泛应用：,航空业,房屋&建筑声学,消费产品,汽车业,环境监测,动物学,乐器设计,所有的声音都可以被记录、分析并可以图像形式被标记。从而使产品在降噪, 声设计以及质量管理等方面得到优化升级.,铁路,New Solution,Sound becomes visible,声音可视化:快速判断噪声源操作方便,Acoustic
30、Camera Concept,声学相机主要规格参数:,- 单个映射图像动态范围 6-20dB (最大可达60dB取决于阵列形式),- 实时触发时间低于0.5s (硬件触发),- 时间分辨率低于5us(采用192kHz采样频率),- 声学图片采样点平均为150000至1500000,- 完全实时功能48通道阵列（平均5000采样点）,The GFaI 是第一个商业应用的采用延时叠加技术的声学相机。从1999年开始致力于发展用户的产品设计等实际应用解决方案，系统的快速设置, 灵活简单的用户界面是用户选择该系统的原因。GFaI提供的软硬件可以完成多通道声学图像的快速计算和生成。,- 通过导入常规CAD模型进行二维和3维测量,- 多处理器运算支持,- 高级运算功能(Delete Auto Correlation, Zero Padding, Deconvolution 等. ),- 前后预触发时间可达173秒,- 系统动态范围8 -130dBA (共 120dB) 频率覆盖100Hz -20kHz (70kHz),- 测试范围0,35m 到 700m,- 系统可扩展到1200通道-5个数采前端同步,- 阵列轻便，适于运输，可接电池用于移动操作,- 频谱图像的动态范围超过110dB,
