声音科学
了解声音测量的物理学和数学原理
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2024年12月
声音是围绕我们每时每刻的迷人物理现象。了解声波背后的科学、它们的测量方法和对数分贝刻度，有助于我们理解为什么某些声音对我们的影响不同，以及如何有效地测量和管理环境中的噪音。
什么是声音？
物理定义
声音是由介质（空气、水或固体材料）中粒子振动产生的机械波。这些振动产生交替的压缩和稀疏区域，并通过介质传播。
空气中速度： 空气中约343米/秒（20°C时）
水中速度： 水中约1,480米/秒
钢中速度： 钢中约5,960米/秒
频率范围： 频率范围：20 Hz - 20,000 Hz（人类听觉）
波的特性
声波有几个决定我们如何感知它们的关键特性：
- 振幅：决定响度（以分贝测量）
- 频率：决定音高（以赫兹测量）
- 波长：波峰之间的距离
- 相位：在波循环中的位置
- 音色：由谐波决定的音质
理解分贝刻度
为什么是对数的？
人耳可以检测到巨大范围的声音强度——从听觉阈值到造成身体疼痛的声音，比率约为1万亿比1。线性刻度对于如此大的范围是不实用的，所以我们使用对数分贝刻度。
分贝公式
dB = 10 × log₁₀(I/I₀)
其中I是声音强度，I₀是参考强度（10⁻¹² W/m²）
关键特性
- • +10 dB = 10倍强度，2倍感知响度
- • +3 dB = 2倍强度，几乎不可察觉
- • -10 dB = 1/10强度，一半响度
- • 0 dB = 听觉阈值（不是无声）
声压级
- • SPL = 20 × log₁₀(p/p₀)
- • p₀ = 20 μPa（参考压力）
- • 测量更实用
- • 声级计实际测量的内容
频率加权
人类听觉对所有频率的反应并不相等。我们对1,000-5,000 Hz之间的声音最敏感，这是人类语音的范围。为了考虑这一点，声级计使用频率加权曲线。
A计权
模拟人耳在中等水平下的响应。最常用于环境和职业测量。减少低频强调。
C计权
对高水平声音的更平坦响应。用于峰值测量和娱乐场所。更适合低音重的声音。
Z计权
无频率加权（平坦）。用于详细声学分析。显示真实的物理声压。
数字声级计如何工作
信号处理链
- 1. 麦克风传导：将声压变化转换为电信号（电压变化）
- 2. 模数转换：每秒对信号采样数千次（通常44,100 Hz或48,000 Hz）
- 3. 数字信号处理：应用频率加权，计算RMS值，并执行时间平均
- 4. 校准和缩放：根据麦克风敏感性将数字值转换为校准的分贝读数
- 5. 显示和统计：显示实时值并计算测量期间的最小值/最大值/平均值
时间加权
- 快速(F)： 快速(F)：125毫秒时间常数
- 慢速(S)： 慢速(S)：1秒时间常数
- 脉冲(I)： 脉冲(I)：35毫秒上升，1.5秒衰减
- 峰值： 峰值：无时间加权
测量指标
- Leq： Leq：等效连续级
- Lmax： Lmax：记录的最大级
- Lmin： Lmin：记录的最小级
- L90： L90：90%时间超过的级别
重要的声学现象
反射和吸收
声波从硬表面反弹，被软材料吸收。这影响房间声学和测量准确性。
- • 硬表面：95%反射
- • 地毯：20-30%吸收
- • 声学泡沫：80-90%吸收
干涉模式
当多个声波相互作用时，它们可以相互加强或抵消，创造复杂的模式。
- • 建设性：波叠加在一起
- • 破坏性：波相互抵消
- • 房间中的驻波
多普勒效应
移动的声源由于声波的压缩或拉伸而似乎改变频率。
- • 接近：更高频率
- • 远离：更低频率
- • 经典的救护车警报效应
应用声音科学
实际应用
建筑声学
为预期用途设计具有最佳声音特性的空间。
- • 音乐厅：控制混响
- • 录音室：声学隔离
- • 办公室：语音隐私和清晰度
- • 教室：可懂度优化
噪音控制工程
通过科学原理和工程技术减少不需要的声音。
- • 源头减少：更安静的设备
- • 传播路径中断：屏障和围挡
- • 接收者保护：个人防护设备和隔离
- • 主动噪音控制：相位抵消