与听力学有关的声学知识课件.ppt
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- 听力 有关 声学 知识 课件
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1、解放军总医院耳鼻咽喉科研究所李 兴 启听力学是一门边缘学科l所谓边缘科学,即是说是由许多门学科互相渗透的一门学科,比方说要研究听力学的问题,首先涉及到的是听觉系统的组织结构的问题(即组织学),如众所周知的行波学说(感音学说)就与耳蜗的结构(从底顶)分不开,耳蜗的结构是这学说的重要论据l其次是生理学,即听觉生理(包括中耳的传音机理、内耳的感音机理及生物电信息的传递机理及中枢的综合分析等生理过程,而实际上这些研究都与声学分不开,所以是生理声学的研究,例如:中耳传音中有声导抗的研究问题,内耳的感音机制涉及声学的频率特性,能量转换等问题,包括ERA,更是集中的反映。生理声学作为声学领域一个重要分支(研
2、究听觉的科学)l第三是心理声学,如:主观的纯音测听,阈上功能测试(SISI试验、ABLB试验),言语测听(言语识别率),都涉及到心理学的问题,(心理物理学的分支),即所谓的响度,音调等感觉都是人们对各种声学特性的主观感觉l电声学(即指电子声学仪器的研究),听力计、导抗计、ERA等都有电子学和声学的问题,即通过电子学技术手段,产生各种不同声学特性的声波,如传声器、扬声器、耳机,还有语言声学、音乐声学l当然需要基本的一些电子学知识l但,听力学(组织学、生理声学、心理声学、电声学、临床诊断学问题)都有声学问题l所以只要掌握基本的一些声学知识,就不难入门l实际上英文Acoustic一词缘于希腊字母,本
3、意就有声学的和听觉的两重意思,我们在讲到声音的概念时就必然联系到听,而讲听时,也必须有声的问题。可以想像:一个聋子(全聋)无听力,怎么会感到有声呢,反之,在真空中无声波传播,听力再好,您会听到什么声呢?所以在权威的声学书中,都要讲一些听力学问题,而在讲听力学书里,也必然论述到一些声学基本概念声 学 定 义 l研究声波的发生、传播、接收和效应的科学l物理声学:用波动观点,研究声学问题的科学振荡、振动l一个物理量在观察时间内不停地经过最大值和最小值而变化总称为振荡l振动是指物理量代表一个机械系统运动参量时的振荡(而振荡是一般术语,振动只用于机械系统,包括声学系统)l要点 声音是一种振动(扰动源引起
4、周围质点在平衡位置上的振动),空气中80%氮气,还有水蒸汽,氢,氧 波动形式声音(波),即振动在介质内的传播,形成声波(“麦浪”之例)l声波定义:某一扰动源扰动时使周围媒质质点产生振动,并向四周传播的过程,即形成声波质 点 速 度l媒质中甚小于波长而甚大于分子尺度的质点,因形成声波时,而引起的相对于整个媒质的振动速度l一般使用时,质点速度是指有效质点速度(即均方根值)的简称,其次还有瞬时质点速度、平均质点速度、最大质点速度、峰值质点速度,使用时必须说明l横波媒质中质点都垂直于传播方向而运动的波l纵波媒质中质点沿传播方向运动的波l平面波波阵面为与传播方向垂直的平行平面的波l球面波波阵面为同心球面
5、的波,在空气中传播的声波为球面波 次声 可闻声 超声10-420Hz 20 20kHz 20kHz0.5京赫(109)可闻声的最小声质点振动位移:1A=10-9厘米声压:0.0002达因/cm2即20 Pa特超声:0.5京赫(109)1012垓赫频率再高就成为分子的热运动声波的传播特性(基本现象)l外耳道长 2.5 cm,对波长为其4倍(10cm)的3440Hz产生共振,增益10dBl声波是一种压力波(因为,既然是质点在运动,根据力学原理,在传播过程中做了功,即具有一定的能量,或者叫具有一定的压力)l声波的传递过程实际上是压力波的传递过程,(如:打枪、放炮、二梯脚、敲锣打鼓等可以把人的鼓膜震破
6、)l既然声是一种波动(介质里的传播过程),那么和电磁波一样具有如下的参数:频率次数/秒(f)周期T=1/f (ms)声速空气340 m/s水1450 m/s海水1531 m/s象牙(乳突)3013 m/s 波长=c/f (c声速)相位 实际上是时相,相位差,即时间差 基频 振动系统中的最低固有频率声波的干涉与衍射l干涉:几个振动的迭加将产生干涉,由于干涉现象,声场中可产生驻波或定波(频率相同或相近的声波相加时所得的现象)l衍射:声波绕过障碍物而使传播方向改变的现象,波长对障碍物大小的比值越大,衍射也越大,如果障碍物的尺寸远大于波长,虽然还有衍射,但在障碍物背后的边缘附近将形成一个没有声波的区域
7、(声影区)声波的反射和折射l当声波自一种媒质入射到另一种媒质时,若它们的特性阻抗不同,就产生反射和折射反射:波阵面由两种媒质之间的表面返回的过程,向表面的入射角等于反射角反射定街:入射角等于反射角 即1=1l折射:因媒质中声速的空间变化而引起的声传播方向改变的过程l折射定律:入射角的正弦和折射角的正弦的比值等于两媒质中声速的比值2121sinsinCCl反射波的声强:由反射系数大小决定 I1=反射波声强 I0=入射波声强 声反射系数221112221112201coscoscoscosCCCCIIl折射波声强:由折射系数大小决定 I2=折射波声强 I0=入射波声强 声折射系数221112212
8、221102coscoscos4CCCCIIl全反射和镜反射全反射:声波完全不传到第二媒质而由分界处全部反射的现象(当入射角大于临界角k时,即发生全反射)镜反射:如果分开两种媒质的边界具有无限平面的形状,这种边界的反射称为镜反射l声波的散射由刚体障碍物所产生的散射密度与弹性不同的障碍物所产生的散射,即声朝许多方向的不规则反射、折射或衍射l透射 内耳淋巴液声阻抗:1210001580000声欧 空气阻抗:42声欧 后者传入前者:透入率 T=4r/(r+1)24r=15520 (r+1)216106 r=(R2/R1)=(161000/42)=3880 T=0.1%=1/1000 按声能折算,约损
9、失30dBl频谱:把时间函数的幅值和相位分量表示为频率的函数的分布图形l谱级:1Hz带宽中的平均声压级,基准量为:0dB=20Pa/Hzl声发射:材料内部迅速释放能量所产生的瞬态弹性波 频谱:任何复杂的声音都是由若干强度不同的频率成分的特定的相位关系复合组成谱借用于光谱(红、橙、黄、绿、兰、靛、紫)在中国很早就应用了谱的概念(例家谱:孔子的家谱)l所谓声频谱指声音强度按不同的频率分布的情况 纯音:指具有单一频率的声音500Hz1000HzdB1kf(Hz)关 于 噪 声l环境噪声:在某一环境下,由多个不同位置的声源产生的总的噪声l背景噪声:在发生、检查、测量或记录信号的系统中与信号存在与否无关
10、的一切干扰l 噪声:紊乱、断续或统计上随机的振荡不需要的声音,可引伸为在一定频段中任何不需要的干扰,如电波干扰,(包括“声噪声”、“电噪声”)l白噪声:声频范围(2020kHz)各频率能量均匀连续分布的声音20Hz20kHzdBfl粉红噪声:用正比频率的频带宽度测量时,频谱连续且均匀的噪声,若采用等带宽的滤波通带,以对数分布的频率刻度为横座标,这时粉红噪声的频谱分布为每倍频程下降3 dB的斜线(低频成分较多,类似于光学中的粉红色,故名)l窄带噪声:白噪声通过带通滤波器产生l临界频带:当噪声掩蔽纯音时,在以纯音频率为中心的一定频带宽度内的噪声总功率起作用,这个带宽称临界频带或:宽带连续谱噪声一部
11、分的频带宽度,频带中总声功率等于宽频带噪声中刚能听到的,频率为该频带中心频率的纯音功率0.5kHz1kHzdBfl既然声波具有频率特性 可根据需要进行滤波滤波器(即可根据需要让某一频率声音通过,而相位邻近:上、下频率的声音都滤掉),滤波器有倍频程、1/2倍频程、1/3倍频程滤波器等 倍频程:上限的截止频率等于下限截止频率的两倍,如:500Hz、1000Hz、2000Hz 1/2倍频程:上限截止频率等于下限截止频率的 21/2=1.4142,例:705500705/500=1.41倍 1/3倍频程:上、下限截止频率的比数是 21/3=1.26,例:31.5Hz之比25Hz为1.26倍声波的强度计
12、量l声强(度)声强:指在单位时间内,声波通过与其前进方向相垂直的单位面积上声能,单位:尔格/秒厘米2或瓦/米2,超声波:毫瓦/厘米2 对球面波:I0=P2/0C:气体的密度即在0和1大气压时气体的密度 P:声压 C:声速 声强级:为什么要用声强级呢?A.人能感觉到的最小声波压力是20微巴 痛觉到的最大声波压力是20巴 二者之比是106,即1克/1吨之比 如果用能量来表示,相差之比为1012(亿万倍)这对于电声仪器是很难设计出这样大范围的刻度 B.人耳主观响度感觉 当压力每改变10倍时,人感觉响度变化是大致相等的(大约变化1倍)所以,取对数:IL=lg(I/Io)贝尔 Bel的经历,电话发明家2
13、2岁发明电话,小时候不是门门5分的学生 dB=deciBel IL=10lg(I/I0)强调:相对概念,如山高:高度,相对于海拔,海拔1000米 级对数概念(一个量与同类基准量之比的对数)声压级:因为,声能量是由于声波的压力作用的 I=P2/c SPL=10lg(P2/P02)10lg(P2/c)/(c/P02)=20lg(P/P0)声压:有声波时,媒质中的压力超过静压力的值。一般使用时,声压是有效声压的简称(一段时间内的均方根值),其它:瞬时声压,平均声压,最大声压,峰峰值声压)声(波):弹性媒质中传播的压力、应力、质点位移,质点速度等的变化或几种变化的综合 参考声压:0.0002达因/cm
14、2 或20P 0.0002微巴/cm2 (因为,1帕=106微帕)210-5帕 (210-5牛顿/米2)l同一点接受几个声源的声波时,总声压级应是多少?l若:P1=P2=P3时,每一个声源的声压级为120dB,因为 dB是对数,所以不能简单相加数学原则l而I和P可算术相加,因此:L1=10lg(NI1/I0)=10lg(I1/I0)+10lgN Lp=20lg(P/P0)+10lgN=120+10lg2 (如果N=2)=120+3=1236dB SPL=sound pressure level多个声源总声压级的计算方法多个声源总声压级的计算方法l白噪声的掩蔽效果与窄带噪声掩蔽效果如:80dB(
15、白)带宽 6000Hz窄带80dB带宽200Hz 20lg(P/P0)=每周(Hz)的能量因为:80dB(SPL)=20lg(P/P0)+10lg带宽宽度所以:白噪声每Hz的能量为:8010lg6000=8037.8=42.2dB(SPL)窄带噪声每Hz的能量为:8010lg200=8023=57dB(SPL)因此,窄带噪声的掩蔽效果比白噪声好。各种 dB的表示lSPL(sound pressure level)声压级lSL(sensantive level)感觉级,即听阈上dB数lHL(Hearing level)听力级(与HTL相当)标准听力级lnHL(HTL)(normal Hearin
16、g level)正常听力级l声学零级听力零级lnRL(normal response level)正常反应级lpeSPL(peak equivalent SPL)(峰值等效声压级)声音的物理量与听觉主观属性的关系l响度:听觉判断声音的强弱属性,根据它可以把声音排成由轻到响的序列(单位:宋),与声压、频率、波形有关,主要与声压有关。l等响线:典型听者认为响度相同的纯音的声压级与频率关系的曲线。l响度级:等于根据人耳判断为等响的1000Hz纯音(从听者正面传来的)对20Pa的声压级分贝数,单位:方响度级(单位:方)l为什么要用响度级 A.声压和声压级是纯粹的物理量,然而人耳来“度量”时,声音:强弱
17、如何?B.人耳感觉的强度不仅依懒于声压,而且决定于它的频率 如:人耳对100Hz和1000Hz的纯音,在同一声压0.02微巴时,判断起来不是等响的,只有当100Hz的声压达0.25微巴时,和1000Hz的0.02微巴才等响,也就是说人耳对1000Hz的声音比对100Hz敏感,那么对每个不同频率的声音,其等响的强度是多少,可得出一系列等响曲线l等响曲线定义;在等响条件下,声的频率和声压级之间关系曲线l条件正常听觉受试者(1825岁)双耳测听连续纯音,面对声源自由声场条件(即无声反射)l音调:听觉判断声音高低的属性,根据它可以把声音排成由低到高的序列。音调高低主要决定于声音的频率,也与声压及波形有
18、关一个声音的音调可与另一声压级是指定值的纯音比较,如二者音调在一般正常人耳判断相同,纯音的频率即可用来描述这声音的音调l冲击:机械系统中的一种瞬态运动,随之具有力、位移、速度、或加速度的非周期性突然变化l冲击脉冲:加速度在一短时间内由一恒值升起和衰变的重大扰动,冲击脉冲一般是把加速度作为时间的函数l冲击波:大振幅的声波形成锯齿波波阵面就成为间断面任何间断面都称为冲击波l冲击在媒质中的传播,其特点是经过冲击而有显著的空气压力、密度和温度的突然变化l爆炸波:爆炸物引爆后在一定体积内突然产生大量高压炽热气体成为火球以超声速膨胀一直到球内压力相当小于环境压力为止收缩由于惯性和弹性第二次、三次的膨胀、收
19、缩l振荡的火球声源向周围辐射爆炸波爆炸后的冲击波雷击的超高频声波可炸碎肾结石 一位日本人患严重的尿路结石,一天突然遇到雷击(炸雷把肾结石给炸碎了,从尿道排出)日本专家从中受到启发,发明一种变频的“碎石机”大气中的声衰减l球面波的发散引起的声衰减l声波的反射、衍射和散射l大气环境条件:大气中的声吸收 雨、雪、雾的影响(小于0.5 dB/100m)风和温度梯度 草地、灌木林、树木等地面效应(1000Hz时,衰减23dB/100m)噪声源的测量l基本测量系统传声器放大器滤波器放大器输出整流器数字式表头l传声器:将声信号转换为相应的电信号的电声换能器,根据换能原理及元件可分为:炭粒式、电容(静电)、驻
20、极体、电磁、电动(动圈)、铝带、热线、压电(晶体、陶瓷),磁致伸缩、电子、半导体等传声器l振电压:能把振动能转换为电能的换能器,所产生的电压,耳蜗因声音刺激而产生的电压称为耳蜗振电压lCM:耳蜗微音器效应l声级计(噪声计):予先进行过校准的包括:传声器、放大器、衰减器,适当计权网络和具有规定动态特性的指示仪表的仪器,用以测量噪声的声级l计权:A、B、C计权特性分别是40,70,100方等响曲线的反曲线,计权特性用读数后的字样表示,如dB(A)等,用于飞机噪声测量可用D计权,其特性是40PN dB等干扰曲线的反曲线。B、C已少用“计权”网络(Weight)权衡为什么要用“计权”测量声学的仪器从上
21、述等响曲线看,人耳对1kHz4kHz敏感,对低频高频声较差。越灵敏,意味着越易损害,如1kHz的120dB对人耳有疼的感觉,但对20Hz的120dB,听到声就不大,所以在日常生活中低频成分的声对人的影响不大,如果不“计权”,所得的dB数,不能真正反映对人的影响l所以,测量仪,根据等响曲线用一系列滤波器和衰减器组成(如果用普通声级计测的声压级,往往主要是低频的最强成分所决定的,如A计权,B、C曲线用模拟听觉生理主观特性不明显,故目前已趋于废弃,D、E分别用于飞机噪声测量,而对工业噪声领域则主要采用A计权l用了“A计权”就能在一定程度消除声学中常常作用甚小的低频成分的影响,即将低频成分的声音压低(
22、设计的仪器对此不敏感)l压低多少呢?则该据等响曲线而定,实际上就是根据等效曲线把各种频率的实际声压级“拉平”(即拉到一个尺度上来)权衡一下,为什么测隔声室的本底噪声用“A”呢?,就是此道理声学仪器(与听力学有关)l换能器插入式耳机:可以把部分装在外耳道内的小型耳机,也可称耳塞机气导耳机(如TDH-39):把电振荡转换成声波,可与人耳密切地作声耦合的电声换能器骨导耳机:把电振荡转换成机械振动的换能器,密切耦合到人的乳头部l扬声器:把电能转换成为声能并在空气中辐射到远处的电声换能器由于换能原理及元件不同可分为:电动式(纸盒)、永磁、恒磁、励磁、感应、电磁(舌簧工)、静电、压电(晶体、陶瓷)、电动气
23、流、离子等扬声器l传声器:将声信号转移为相应的电信号的电声换能器(类型基本同上)l指向性传声器:响应随入射声波方向变化的传声器l用于听力计校准的声学测量仪器仿真耳:校准耳机和听力计的设备,它使耳机受到的声阻抗接近人耳的平均声阻抗仿真口:装在特制板上的扬声器,障板的设计使其指向性和辐射图案与平均人口的指向性和辐射图案相似。仿真乳突:模拟平均人的乳突部的力阻抗的设备,用来校准加到乳突上的骨传导接收器滤波器:把信号中各分量按频率加以分离的设备,滤波器使一个或几个频带中的信号分量通过时基本上不受衰减,对其它频带中的分量加以衰减按其特性分为:低通、高通、带通、带阻等类型l耦合腔:形状和体积已规定的空腔(
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