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声学的基础知识

一、声音的基础知识

声音是世界上很重要的物理现象,与日常生活、工作、学习关系密切,它的存在又极其普遍。

自然:风声、雨、雷声、心跳、水流

工业:车、船、机、工厂

人文:语言、音乐、歌声

随着电子技术水平的逐步提高,电声技术与音乐表演的关系越来越密切。在音乐表演过程中,无论是现场表演还是录播、重放,在其传声、扩声、调音、混音、录音等环节中均日益凸现出电声技术对艺术质量的影响力。在音乐专业未来的工作环境中,电声技术的应用越来越广泛,为使学生在今后的工作中能够熟练掌握并运用这些技术设备,从而实现最佳的艺术效果。故而开设《电声技术与表演应用》课程。

第一章     声学基础

教学内容:

声音的概念和特性;声音的构成与作用;声音的传播规律以及人耳的听觉特征。

通过本章节的学习使学生掌握声音现象的物理性质以及人耳听觉的主观感觉等方面的规律特点。

教学重点、难点:

声音的构成、传播过程和方式以及人耳听觉的主观感受。声音的物理学知识与应用。

教学准备:

声音效果素材CD光盘

教学过程:

一、声音的基础知识

声音是世界上很重要的物理现象,与日常生活、工作、学习关系密切,它的存在又极其普遍。

自然:风声、雨、雷声、心跳、水流

工业:车、船、机、工厂

人文:语言、音乐、歌声

1、定义:声音是粒子运动的结果,即物体振动产生的声波,通过介质对人耳产生的感觉叫声音。

2、声音的分类与应用

⑴分类

研究声音的学科叫声学,按研究对象不同,可分为:

语言声学:研究人的发音结构与方法等生理声学

音乐声学:研究音乐与声音的关系

①研究乐器结构、制作、音域、音色——器乐声学

②研究发声、气息、共鸣等——声乐声学

③研究音律关系、数据及使用——音乐律学

电子声学:研究通过电子电路把声音进行各种特性的加工处理

建筑声学:研究厅堂建筑设计与声学关系

噪 声 学:研究噪声的危害与利用

⑵应用

声    纳:水下军事:蝙蝠 (利用声音的波长与反射)

超 声 波:emc易倍爆破 (利用大于20KHz声波刺激)

声    控:电子工业

语音识别:刑侦、保密 (利用音色的频谱曲线)

音乐医疗:调节心神、缓解情绪 (利用音乐声学的暗示作用)

次 低 声:军事(利用低于20Hz的次低声波振动频率干扰人体固定的共振频率(3-17Hz)

⑶噪声及危害

噪    声:大于90分贝,且人们主观不需要的声音

听觉阈限:20-20KHz (超过55分贝即产生不舒服感)

不 需 要:学习与环境噪声

                    午休与唱歌

危害

人体:影响寿命、损坏内脏、扰乱新陈代谢

神经:头晕、失眠、衰弱、易产生疲劳、降低工作效率

二、声音的传递

1、声音的传播过程(自然状态):当一个物体受外力作用时,产生一个往复的弹性振动,这样就产生了声波,经过介质(物体、空间或水)向四面八方传播。当人耳接受声波的振动,通过听觉神经传达给大脑。(如下图)

2、声音的传送(人为状态):

有线传送(1806年贝尔发明电话)    无线(1844年,电报发明)有线载波(一线传多种信息)   光纤与光缆(速度:10GB/S)

3、声音的记录保存:

留声机      磁带机     光盘      硬盘(固态记录)

留声机:1877年爱迪生发明,唱片直径30cm,轨迹纹路0.1mm,贮存量15分钟。

磁带:模拟信号破坏性记录——存新去就,需机械系统支持。

CD:直径12cm,轨迹纹路1.2微米,贮存量T=74分钟。

DVD:直径12cm,轨迹纹路0.6微米,贮存量T=120分钟。

硬盘:非破坏性记录,可移位贮存,开放式非线形,大容量、可外挂、任意编辑、升级空间大。固态记录,利用距阵来记录、拾取,利用地址码选取。

三、声音的物理特性

1、声音的构成及关系

客观:振幅(大、小);频率(快、慢);谐波

主观:响度;音调(音高);音色(音品)

振幅:声波的振动幅度,它的大小影响人耳对声音强弱的感觉强度(即响度)单位:分贝(dB)

频率:声波每秒钟振动的次数。它直接影响人耳对声音高低(音调)的感觉。单位:赫兹(Hz)

谐波:指声波的波形。包括瞬间状态。它直接影响人们对声音音质差异(音色)的感觉。(如乐器不同,相同的“i”听觉则不相同。)

2、声音的传播

⑴直达声:是室内任一点直接接收到声源发出的声音。

它是接收声音的主体,又叫主达声,不受空间界面影响,其声强基本上是与听点到声源间距离的平方成反比衰减。

⑵早期反射声:指延迟直达声50ms以内到达听声点的反射声,对声音起到增强作用;在大空间内,因反射距离远,易形成回声,产生空间感。

⑶混响声:声波经室内界面的多次反射,迟于早期反射声到达听点的声音,直至声源停止发声,但由于多次反射,听点仍能听到,故又称余声,影响声音的清晰度。

混响时间:在一个声场中,一个声音的声压级衰减60dB所需要的时间,用T60来表示。单位:秒(s)

T60=0.16V/Sa (赛宾公式)

V:声场总容积 

S:声场的表面积 

a:声场的建筑装饰材料的平均吸声系数。

例:某段音乐的声压级为90dB,此时中止音乐,音乐声逐渐减弱,当其声压级从90dB降至30dB时可需时1.2秒,那么,此房间的混响时间为1.2秒。

3、声音的指向性与覆盖面积:

高频  声音指向性很强 覆盖角度窄小、射程远、穿透力强

中频  有一定指向性  覆盖面积比较容易控制

低频  指向性不明显  向四面辐射、声功能损失大、传播距离近

4、声音的共振与共鸣

声音的振动和传播过程中,有一种很重要的物理现象——共振,也叫共鸣。

定义:当策动力变化的频率跟物体的固有频率相一致时,振动的振幅就会特殊地增大到最高峰值,这种现象叫共振。

 

例一:部队行军步伐的振动频率与桥梁的固有振动频率相一致时,会因共振的产生而坍桥。

例二:暖水瓶接水,听到的声音会由低频逐渐变成高频率声音。水流击水产生的声音频宽很宽,即有低频、又有高频。刚接时瓶的空间大固有振动频率低,水流击水的低频音产生共振,低频加强,快满时,水瓶的空间变小,共振腔变小,共振频率提高,与水流击水产生的高频音产生共振,高频加强,即听到高频音。

例三:小提琴    共鸣箱较小   共振频率高     为256-1100Hz

      大提琴    共鸣箱增大   共鸣频率低     为110-400Hz

      贝斯提琴  共鸣箱最大   共振频率更低   为80-350 Hz

例四:萨克斯箱 

左右手指全按下  共振腔容积最大  共振频率低     发低音

右手指抬起      共振腔容积缩小  共振频率提高   发中音

双手全抬起      共振腔体最小    共振频率最高   发高音

5、声音的掩蔽现象与解决

当不同频率的声音在同一声场中传递,各频率之间会发生掩蔽现象。

现象一:声音能量大的掩盖声音能量小的。

如铜管乐器掩盖木管乐器、木管乐器掩盖弦乐器。

解决:⑴从乐队编制解决。要求有合理的声部和乐器分配,调整好各声部之间、各种乐器之间声功能的平衡。

⑵从音乐结构上解决。要有合理的和声、配器,使各声部间平衡。

⑶从声场音响上解决。

a、对不同音源选择最适合表现这种乐器音色特性的话筒。

b、选择拾取音源的最佳距离、高度、角度。

c、在调音台上进行音频信号电平的处理。

现象二:中频声音掩盖高频和低频声音。

原因:人耳对700——3000Hz的中频率声音听觉最为灵敏,在声音强度相同的情况下,优于并强于对高、低声音的听觉。

解决:减少中频输入,适当增加高低频尤其是低频音输出。

现象三:高频率声音掩盖低频声音。

如:板胡、京胡、笛子等高音乐器掩盖贝斯提琴、大提琴、巴松等低音乐器。

原因:高频音声波较短、指向性强、穿透力强、射程远,对人耳刺激明显,低频音有绕射特性,散射强,功能损失大。

解决:适当降低高频音,增加低频音。

对不同的乐器拾音时选择合适话筒,掌握好距离角度。

四、人耳的听觉特征

振动产生声波,声波传播至耳,耳膜受到声压变化刺激听觉神经听觉神经传入大脑中枢,形成声音的存在感觉。

声音的产生是物理现象,人对声音的感觉是生理       心理活动。

1、构成人耳听觉特性的要素

构成声音产生与存在的客观因素是:振幅、频率、谐波

构成人耳对声音的听觉特性的要素是:响度、音调、音色

⑴响度:是人耳对声音强弱的感觉程度。它首先决定于声音的振幅,其次是频率。声学中把描述响度、振幅、频率之间的关系曲线叫等响度曲线。单位:分贝(dB)

与振幅的关系:a、声压级越高,人耳感觉声音响度越大b、人耳的声压范围是:0——120 dB

与频率的关系:a、4—5KHz附近的声音最响,因外耳道与其产生共鸣b、低声压时,低频区的音响度大于高频音的响度c、常见声源的声压级dB

窃窃私语:20——35    

女 高 音:35——105         男高音:40——95

小 提 琴:40——100         交响乐:80 dB

小    鼓:55——105         打  雷:120 dB

教师讲话:50——60         飞机起飞(3m处):140 dB

⑵音调(音高):是人耳对声音高低的感觉,其变化主要取决于声音频率的对数值,其次是取决于声音的振幅。

频率越高,人耳感觉的音调随之升高,频率增加一倍,声学中称之增加一个“倍频程”,音乐上叫“提高一个八度”。音调单位:美(mei)音调与频率的关系:

a、人耳听觉的频率范围:20Hz——20KHz,其中700——3000Hz为最灵敏区

b、语言的频率范围范围是100——10 KHz

音乐的频率范围是50——15 KHz

音调与声压(振幅)的关系:

a、1K——2 KHz 以上的高音区,声压增大感觉音调提升

b、500 Hz以下的声音,声压增大,感觉声音低沉,音调下降

⑶音色(音品):指声音的音调和响度以外的音质差异。它与声音的频谱结构、包络和波形有关。发音体的泛音结构不同频率特性曲线、种类不同造成音色结构的不同。

影响音色的因素:

a、结构不同:弦、簧片、金属

b、质料、质地不同、金属、人体、电子

c、激发位置不同:气息、声带、口形、吹奏或拉奏方法

d、力度大小不同,p、f(弱、强)影响音色

e、共鸣体(箱、腔)大小不同:影响单元色的泛音结构

f、振动体的弹性:影响音色的始振特性和衰减特性

声带:儿童——富有弹性、音色清脆明亮

成人——声带松弛、音色苍老

哨片:软——始振性慢、衰减也慢

硬——始振性快、力度大、衰减也快

2、颅骨效应

声音从音源传入大脑有两个途径, 一是  音源→空间→        人耳→大脑,另一途径是   音源→人体颅骨→大脑(小实验:双手堵耳,发声,仍可听见)通过颅骨传导声音的现象叫颅骨效应。

现象一:听自己的声音,有两个途径,频带宽,音色好。

现象二:手表、钟摆声音仍可通过牙齿和颅骨传递到人的大脑神经。

应用:当练唱一首新歌时,对音高音调旋律无法准确掌握时,大声唱干扰环境、小声唱自我感觉不明显,可用双手掩耳来练唱,可清晰感觉自己声带发声的旋律,准确的音高和声音结构的细节部分。根据自我感觉来调解发声状态,即通过甲状软骨、早环软骨和披裂肌肉的配合来调解声带的收放,从而调整音高和音色。

3、鸡尾酒会效应:

在嘈杂的声场中,人可以把自己的听力集中在某一个人的谈话中,而把其他人的声音都推到背景杂声中,此现象叫“鸡尾酒会效应”。

原理:人耳的选择功能

人耳通过两耳拾取音源的距离差、时间差、频率差就可以辨别出不同方位的声音,以此调解听觉神经来选择不同方位的声源。

应用:使用强指向性话筒在现场来同步录音。

4、回音壁效应 :

在某一声场中,视觉看不到声源而听觉却能听到声音,这种现象就是声波传播的特殊反射作用的结果,被称谓“回音壁效应”。

应用:舞台上方、侧方、后方的声音反射板即是利用这一原理把演员的声音集中向直达声弱的区域进行反射。

5、哈斯效应:

一个声场中的二个同频声源,在传入人耳的时间差在50ms以内时,人耳无法明显辨别出它们的方位。那个声源的声音先入,那么人就感觉到声音即由此方位传来。这种先入为主的听觉特性叫哈斯效应。

现象一:两侧声源A、B与人耳距离相同时,人们感觉声音由前方来,俗称“假立体声”。

现象二:当距离A声源略近时,实际应是A音大,B音小的两个声源,但人们往往只感觉到所有声音均由A输出,这种错觉现象即是“哈斯效应”。

现象三:将近点A的声音加以延时,使它迟于B声源进入人耳,人们即感觉到所有声音均由B声源付出。

应用:在剧场中为了弥补哈斯效应所产生的听觉、视觉不统一的现象,对顶部和侧面扬声器均作延时处理,使它们传出的声音与前方主扬声器传出的声音同步到达人耳,使后排观众的视觉、听觉协调统一。

6、关于立体声:

⑴构成立体声的主要因素;第一要有立体声音源;第二要有立体声声场;第三是人耳的双耳效应

⑵造成立体声的原因;

a、路程差:由于声音传递到双耳的路程不同造成

b、时间差:由于路差使声音到达双耳的时间不同造成

c、强弱差:由于路程差使先到声音感觉强,后到的感觉弱

d、频率差:由于声音的传播特性决定,近耳听到的高频音多、低频音少,远耳听到的高频音少、低频音多。

⑶定义:立体声是指人感到声源分布在空间的声音,使听到的声音具有空间感、远近感及监场感

⑷环绕立体声:

在立体声声场中,除听者有身临其境的感觉之外,还必须具有使听音者被声音包围的效果,使听者产生围绕感和声音似乎离开听者扩散并再次反射回来的扩展感。

a、四声道环绕立体声(见图)

产生环绕立体声需有不同方向的四个以上声源,相对听音者来讲分为前左、前右(主声道);后左、后右(环绕声道)。

将四只强指向性传声器摆放在演出中心部或靠近舞台,拾取舞台上声源发出的四个不同方向的声音,用声道重放系统把四个扬声器放在房间四角,产生环绕声场。

常见有超级VCD、CVD均属此类。背板标有CH1——CH4四路声音输出。

b、编码式六声道环绕:

与四声道同理,将六个声源经编码后用少量声道输出,经解码后,传至六个(组)扬声器。

常见DVD即被使用杜比——3(AC—3)声音压编方式实现前左、前右中置;左环、左环、超低音的六声道输出。

因超低音通道仅用音频全音域的十分之一,民用产品常称之为5.1声道。

DVD机分外置和内置AC—3解码器二种,外置的北板只有“L、R”两路输出,需再接解码器才能传至扬声器形成环绕立体声。

内置解码器机器,背板声音输出有CH1——CH6六路,分别标明前左(L)、前右(R)、中置(C)、左环绕(SL)、右环绕(SR)和超低音(BASS),只需接上对应的扬声器即可。

思考题:

        1、声音的构成、传播过程、传播方式及指向性?

        2、影响音色的因素?

        3、怎样利用颅骨效应来练习发声?

        4、怎样利用人耳听觉特性来克服声场不足?

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