音乐声学基础PPT（作者原版发布）优质PPT.ppt

1、,1-3-3 声波的一些基本参数,波长波数即沿着声波传播方向上单位长度内的相位变化,声速声波在媒质中每秒内传播的距离称为声速，用C表示，单位为m/s。空气中的声速等于20C空气中的声速是344m/s,预习：,声波的基本参量有哪些？各自的含义是什么？平面波和球面波有哪些区别？（音频工程基础，p2124）,1-4 声波的基本参量与波动方程音频工程基础p21,1-4-1 三个基本参量媒质密度、媒质质点振动速度v、声压p，它们都是位置与时间的函数媒质密度=（x,y,z,t）媒质质点振动速度 v声压p,1-4-2 三个声波方程式,声振动作为一个宏观的物理现象，必然要满足三个基本的物理定律，即牛顿第二定律

2、、质量守恒定律及上述压强、温度与体积等状态参数关系（绝热压缩）的状态方程。为了使问题简化，必须对媒质及声波过程做出一些假设，P21,1.运用这些基本定理就可以分别推导出媒质的：,运动方程（牛顿第二定律的应用），即p与v之间的关系,状态（物态）方程（绝热压缩定律的应用），即p与之间的关系,连续性方程（质量守恒定律的应用），即与v之间的关系,2.方程的由来,运动方程：F=ma,1-4-3 波动方程,由上述三个基本方程，可以导出声波传播方程，波动方程：推导,1-5 平面波 球面波 波阻抗率 音频工程基础p23,1-5-1 平面波什么是平面波？,方程推导,由于波阵面是平面，波阵面面积不再随传播距离而变

3、化，即S不再是r的函数，讨论这种声波归结为求解一维声波方程：,3.方程式的解及分析,假设没有反射，则B0，得,波（声）阻抗率Zs,媒质特性阻抗,1-5-2 球面波,什么是球面波？,方程推导：,1-5-3 平面波与球面波的区别,1-6 声波的能量关系声压，声功率，声强 音频工程基础p31,1-6-1 声压什么是声压？声波传播时，空气媒质各部分产生压缩与膨胀的周期性变化，这变化部分的压强与静态压强的差值称为声压。瞬时声压、峰值声压与有效值声压Pp=1.414Prms,1-6-2 声阻抗,声阻抗ZA声阻抗率ZS平面声波中的特性阻抗ZC,1-6-3 声能量与声能密度,声能量E,声能密度,定义单位体积内

4、存在的声能量（瞬时值）,平均声能密度,对于平面波：对于球面波：,1-6-4 声功率与声强,平均声功率定义又称平均声能量流，是指单位时间内通过垂直于声传播方向的面积S的平均声能量。声波在单位时间内沿传播方向通过某一波阵面所传递的能量。,因为声能量是以声速Co传播的，因此平均声能量流应等于声场中面积为S，高度为D的柱体内所包括的平均声能量，即平均声能量流，单位为瓦，1瓦=1牛顿米秒。,声强I,定义通过垂直于声传播方向的单位面积上的平均声能量流就称为平均声能量流密度或称为声强，即,自由平面波或球面波的情况下声波在传播方向上的声强为根据声强的定义，它还可用单位时间内、单位面积的声独向前进方向毗邻媒质所

5、作的功来表示，因此它也可写成,对于平面波：对于球面波 声强的单位是W/m2,注意：切不可将声源的声功率与声源实际损耗的功率混淆。,预习：,可以从哪几方面来描述人的主观听觉？它们对应的客观量分别有哪些？（音乐声学音响，p3153，音频工程基础，p3859）,第二章 音乐声学的生理、心理基础听觉（音乐声学音响，p3153，音频工程基础，p3859）,人的主观听觉与客观实际是否一致？音质四要素:,2-1 听觉生理（音乐声学音响，p44）,2-1-1 耳的结构和工作途径,2-1-2 耳的功能,传声器频率计频谱分析仪相位仪,2-2 人耳对声音强弱的感觉,2-2-1 声压级 声强级 声功率级（dB）音乐声

6、学音响，p31,为什么要采用级（分贝）的概念？,声压级,定义在空气中参考声压Pref，一般取为210-5Pa,人耳听力范围：是否存在小于0dB的声音？,声强级,定义空气中参考声强 Iref，一般取10-12W/m2,b.声压级与声强级数值上近于相等,推导区别,声功率级,意义与应用,电平的概念,电平控制器 误差,级和分贝（音乐声学音响，p39；音频工程基础，p4143）,分贝是级的单位，不能按照一般自然数相加的方法求和。当以分贝为单位的声学量进行相加时，必须从能量的角度考虑，按照对数运算的法则进行计算。问题：声压提高一倍，声压级提高多少？声强提高一倍，声强级提高多少？功率提高一倍，声功率级提高多

7、少？电平提高一倍，电压电平级提高多少？,声源的叠加,声功率级和声强级,b.声压级,相干声源：声音来自相关联的几个声源,非相干声源,2-2-2 听觉的频率响应 响度 响度级 等响曲线（音乐声学音响，p4647，音频工程基础，p5054）,对于两个声压级相同的声音，人耳听起来是否一样响？,人对同样强度但是不同频率的声音主观感觉的强弱是不同的,对声强和频率变化的分辨力,人类听觉频率响应,人类听觉频响的特点：,既然人耳对2020kHz以外的声音是听不到的，为什么在高保真技术中规定的频率要远远大于这个范围？,等响曲线为了更全面地表示人类的听觉频响特性（音频工程基础P53）,等响曲线图，图中每一条曲线上对

8、应的各个频率的声音强度听起来是等响的响度级的概念：习惯上以曲线在1kHz时的声压级数定为响度级数，用“方”作为响度级的单位人耳对响度的听力范围：0120（140）方,响度效应（loudness effect）与等响开关（响度控制器）LOUDNESS没有响度控制器的设备如何满足人耳的听觉？,响度级与声压级,分贝数与方数仅在1000Hz的时候数值是相同的同样强的声音在不同频率时并不一样响,响度与响度级,响度与响度级的关系响度是无量纲单位，正比于听者的主观量考虑强度关系时，取40方（或40方的1000Hz纯音或窄带噪声）所产生的响度为标准等于1宋,计权,根据主观听觉对客观值的修正，即如果要用仪器测量

9、声音的响度级，必须模仿上述人的听觉频响。,为了简化测量设备，一般只选取三种计权特性来代表人的听觉频响。,A计权模仿声压级在030dB时的听觉频响B计权3060C计权60130D计权表征飞机噪声在听觉上的反映线性计权为了排除超声与次声信号而设置的，也称宽带计权,2-3 人耳对声音高低的感觉特点 音阶与频率 音调（音乐声学音响，p4749，音频工程基础，p5455）,2-3-1 人耳频率听觉范围,次声20Hz20kHz超声电声上认为：中频13kHz另一种观点：500Hz,2-3-2 音阶与频率,倍频程定义频程的单位，符号为oct，等于两个声音的频率比（或音调比）的以2为底数的对数，在音乐中常称八度

10、。,十二平均律,定义所谓十二平均律，是在一个倍频程的频率范围内，按频率的对数刻度分成十二个等份划分音阶的。这十二个音阶中，相邻的两个音称为半音关系，它们的频率比为：,关键词21/12相临键音高频率关系2n每n个八度频率相差2n倍fA=440Hz=fa1,分组,大字二组 C2B2大字一组 C1B1大字组 CB 小字组 cb小字一组 c1b1小字二组 c2b2,2-3-3 音调,音调的单位为“美”响度40方、频率1000Hz的纯音的音调规定为1000美如果某个频率的声音听起来比40方、1000Hz纯音高2倍，它的音调就是2000美以美为单位的音高和频率在耳蜗基底膜上的相应距离是一致的,当声音强度不

11、同时，人们对音调的高低感觉会发生变化。通常在低频段，声压升高时会感觉到音调变低；在高频段则相反，当声压级升高时会感觉到音调升高。声音持续时间长短对音调也会产生影响。通常测量听阈是用持续时间长度超过一秒的纯音来确定的。,2-4 人耳对音色的感觉音乐声学音响，p49,为什么频率相同的乐器听起来音色不同？,谐频音色,任何声音的实际音色，均取决于在基频之上出现的谐频（又叫谐音）谐音的频率总是基频的整数倍，这种音在主观上是和谐的；噪声通常是由许许多多频率与强度都不同的各种成分杂乱无章的组合而成。音色：成分音结构,c.音品,时间结构，波的时程包络，从起始稳定衰减的特性,2-5 听觉的特性,2-5-1 听觉

12、的基本特性（音频工程基础，p5153）听觉的韦伯定律听觉的欧姆定律双耳听觉听觉疲劳听阈（闻阈）痛阈听觉住留听力谐音,2-5-2 掩蔽效应（frequency masking）（音乐声学音响，p50）,定义一个声音的存在会影响人们对另一个声音的听觉能力，这种现象称为“掩蔽效应”，即一个声音在听觉上掩蔽了另一个声音。一个声音对另一个声音的掩蔽值被规定为：由于掩蔽声的存在，被掩蔽声（通常指单频声）的闻阈必须提高的分贝数。原因与两个声音的声压级、频谱、相对方向、持续时间等有关,纯音掩蔽时的听阈,当响度较大时，低频声会对高频声产生较显著的掩蔽作用高频声对低频声只产生很小的掩蔽作用掩蔽音和被掩蔽音的频率越

13、接近，掩蔽作用越大；当它们频率相同时，一个音对另一个音的掩蔽作用最大。,4.掩蔽效应的应用,电声设备中的不可避免的本底噪声究竟该多么低，取决于有用声音信号电平相对多高，即要根据有用声音信号的强度来规定允许的最大噪声强度，这就是电声技术标准中的“信号噪声比”指标的来源。,感知编码,5.鸡尾酒会效应（cocktail party effect）,定义 人对掩蔽声的容忍能力也是相当强的。当注意力集中时，可以在相当严重的噪声干扰中分辨出想要听的声音来，这说明人的听觉可以在掩蔽声中选择出有用声，这种现象人们称为“鸡尾酒会效应”。原因,2-5-3 方向听觉（音乐声学音响，p51；音频工程基础，p5759）

14、,双耳效应,哈斯效应（优先效应，延时效应）,530ms：几乎不能察觉，后一个起丰满作用（补充）3050ms：有一点儿察觉，但以第一个为主50ms以上：可分辨，可感到回声,德波埃效应,声像的概念德波埃效应与双耳效应的区别,劳氏效应耳廓效应,2-5-4 乐音的编组幻觉,八度幻觉 将两个音高相差八度的乐音，按图上图所示的方式交替馈送到听音者双耳。无论耳机以何种方式馈送信号，大多数听音者的反应是交替地在右耳听到高音而在左耳听到低音。,将C大调上升音阶和下降音阶分别交替地馈送给两耳，高音倾向于被右耳听到，左耳听到的是较低的音符，左右耳分别听到C大调音阶的片段，这种现象称为“编组”,编组幻觉与乐器摆位的关

15、系,2-6 常见声音信号的特点 电声系统的基本要求（电声技术基础，p2661）,2-6-1 声音信号的特点与电声系统的要求主、客观的结合声音信号的时程特点：增长、稳定、衰减 与电声设备的稳态与瞬态的要求声音信号的频谱特点与电声设备的频带要求声音信号的声色 与电声设备的线性与非线性要求声音信号波形不对称的特点,2-6-2 声音信号强度的测量,峰值、有效值、平均值、准峰值、准平均值、峰值因数、峰平比,常用音量表,自学内容：VU表，PPM表区别预习：音乐的构成（音乐声学音响，p5472）,第三章 音乐声学的音乐基础音乐的构成（音乐声学音响，p5472）,3-1 音乐的构成音高音强（量）音色时值,3-

16、2 音乐声的音高表示音名、唱名和记谱,3-2-1 现代音名及记法,3-2-2 五线谱（Staff，Stave）,记谱法的历史简明记谱法（daseian notation）音乐手册，由希腊语中的送气音字符变化而成 字母记谱法奥多（Ode，约879942），在其935年写成的音乐对话中，为音阶定下音名：A B C D E F G a b c d e f g a b c。,纽姆记谱法（neumatic notation）,圭多与唱名法圣本笃会修士圭多（Guido dArezzo，约9971050），在关于佚名歌曲的书信一文中，总结了当时记谱法的实践经验，肯定了用横线来指示音高的优越性，并提倡采用34

17、根横线组成的线谱来记录旋律。发明了“圭多之手”的视唱教学法。,有量记谱法（mensural notation）12世纪中叶以后，教士弗朗科（Franco de Colonia）在其有量歌曲艺术一书中，叙述了有量音乐记谱法，这是一种可以表明单个音符之间时值比例的记谱法。,五线谱的优点,3-2-3 唱名,通用英美唱名,固定唱名法和首调唱名法,固定唱名法不管是什么调，C音都唱dol,D音都唱rei,首调唱名法（Tonic-sol-fa）把自然大调式的主音唱作dol，而不管它是什么音；把自然小调式的主音唱作la，以后也不管它是什么音名，依次顺序唱出。,3-2-4 简谱（Cheve System）,简谱

18、来源于欧洲，相传是卢梭发明的，后经葛林（Golin）、巴丽（Paris）、谢威（Cheve）改进，称葛、巴、谢谱，简称谢氏谱，也称数字谱。简谱是适应于首调唱名法的一种记谱法。,简谱的优点简谱的缺点,3-2-5 工尺谱,3-3 音高的距离音程（Interval）,所谓音程就是两个音的音高间的距离。,各种音程（度）包括几个半音或全音的关系如下：,3-4 音高的排列音阶和调式,3-4-1 音阶（Scale）把一个八度内的几个一音按音的高低顺序排列起来，就成为音阶。音阶中各个音之间的排列方式不同，构成不同的调式，所以音阶也称作调式音阶。,3-4-2 调式概述,3-4-3 七声音阶调式,自然大调式,自然

19、小调式,和声小调式,旋律小调式上行：,下行：,3-4-4 中国汉族五声音阶调式（Chinese Five Tone Modes）,3-4-5 其他五声调式,3-4-6 古希腊七声音阶调式和教堂音乐调式（Church Modes）,第四章 音律概述（音乐声学音响，p90114）,4-1 引言4-1-1 音律问题的内容,4-1-2 我国古代关于音律起源的记载,吕氏春秋（约公元前235年）正乐篇,清朝的李文勇考证了这段话，从黄钟到应钟的十二律，管长差基本是等距的,汉朝司马迁的史记律历志汉书律历志,4-2 音与律，音高标准,4-2-1 音与律，律制音由各种调式产生各种音阶，音阶中的每一个单位称作一个音

20、。律规定音阶中各个音的由来及其精确音高的数学方法叫做“律制”。律制中的每一个单位称做“律”。,4-2-2 标准音高（Standard Pitch）,国际标准音高1834年德国斯图加特地方物理学家聚会，把a1定为440Hz，称第一国际音高，也叫斯图加特音高（Stuttgart Pitch）。物理音高物理音高（Physical Pitch）（也叫理论音高）（Phylosophial Pitch），即以c1=256Hz为准生律。,定音乐器民族乐队笙西洋乐队双簧管,4-2-3 中国古代律名,4-3 频率比，音分（Cent）,4-3-1 频率比与音程音程每高八度，发声体的振动频率增高为两倍。对应于实际情

21、况，弦的长度或管的长度每缩短一半，频率就是原先的两倍。,4-3-2 音分,定义把一个八度音程按等比分成1200份，每份叫做一音分。两个频率为f2，f1的音之间的音程以音分数表示为：,4-4 十二平均律,4-4-1 十二平均律（Twelve Tone Equal Temperament）定义一个八度音程（频率比为2）按等比数列均分十二份，得十二律，称为十二平均律。,十二平均律各相邻两音之间的频率比为：十二平均律每相邻两律（钢琴上差半音）之间相差的音分数为：,4-4-2 十二平均律的生律方法,21/12相临键音高频率关系2n每n个八度频率相差2n倍fA=440Hz=fa1,4-5 五度相生律,4-

22、5-1 五度相生律西方：毕特哥拉斯发明的“五度循环定律”我国：“五度相生法”，“三分损益法”,4-5-2 五度相生律的生律方法：三倍频,从一律开始，每隔一个纯五度（上行纯五度或下行纯五度）产生一律。音程为纯五度的两音的频率比是3。上行纯五度是三倍频，下行纯五度是三分之一倍频。生律时，要把新的律纳入同一个八度之内。,如果C以开始，按三倍频生律，五度相生律的生律次序依次为：,#BC，即“十二旋宫”，“旋”不到起始的“宫”音。此音程差称为“毕达哥拉斯间隔”（Pythagorean comma）频率比为：,如果从C开始，按1/3倍频，五度相生律的生律次序依次为：,重降bbDC,频率比：,4-5-3 左

23、拳定调方法,4-5-4 我国古代记载的三分损益法计算,我国古代的五度相生方法，明确记载为由黄钟（C）生林钟（G），林钟生太簇（D），太簇生南吕（A），南吕生姑洗（E），姑洗生应钟（B），应钟生蕤宾（#F），蕤宾生大吕（#C），大吕生夷则（#G），夷则生夹钟（#D），夹钟生无射（#A），无射生仲吕（#E），仲吕生执始（比黄钟高），近似黄钟，但有差别。,4-6 纯律,4-6-1 纯律纯律（Pure Temperament）也是一种非平均律，它是基于使音阶中各音之间的频率有尽量小的整数比而产生的。,4-6-2 纯律的生律方法：三倍频和五倍频,纯律的生律方法是，除了三倍频（含1/3倍频）以外再加上五倍

24、频（含1/5倍频）。即：从c开始生g、d、f用的是三倍频，在纯律大音阶中e、a、b是c、f、g的五倍频（即上方大三度音）。在纯律自然小音阶中，bb、ba、be是d、c、g的1/5倍频，（即下方大三度音）。,4-7 三种律制的比较,4-7-1 自然大音阶,第五章 声谱音乐声学音响，p115133,5-1 声谱概述,5-1-1描述声音的参量声谱（Spectrum of Sound）,声谱的类型动态图频谱图旋律图三维声谱注意：频谱只是声谱中的一种，不要把频谱与声谱等同起来。,5-1-2研究声谱的意义,分析音质鉴别乐器制造、演奏及歌唱的质量。区分是何种乐器的演奏以及什么人在唱歌对音乐进行的客观的动态分

25、析电子乐器是模拟各种乐器的频谱，然后再加以重现为了用计算机采样或记谱，要提取音高信息，要分析频谱,5-2时间谱声波的时程特性,5-2-1声强随时间的变化谱声波的波形,波形的合成和分解,5-2-2 音高随时间的变化谱,频率时间谱声音的记录上常常以频率为纵轴，以时间为横轴，这就是频率时间谱，即f-t图。,五线谱与旋律线,5-2-3 音色随时间的变化谱,5-2-4声音的瞬态,声音瞬态（Transient State）的两个含义：各时刻声的特性音头和音尾,5-3 声音的频谱（Spectrum of Frequency）,5-3-1基音（基频）、泛音（谐波？）、分音基音（Fundamental Tone

26、）是一个音的成分中最低的频率泛音（Over Tone）频率等于基频的整数倍分音（Partial）不是基频整数倍的频率叫分音。许多乐器都有分音。谐波（Harmonic series）,5-3-2 傅氏分析（Fourier Analysis）和音乐声的信号处理（Signal Processing）,在满足一定条件下，以T为周期的周期函数f（t）=f（t+T）可以用三角函数的级数表示，这种级数叫傅里叶级数，这种方法叫傅氏分析。这样就把周期函数分解为频谱了。,5-3-3线状谱（Line Spectrum）与连续谱（Continuous Spectrum）、乐音（Musical Tone）与噪音（Noise）,5-3-4 线性（Linear）谱和对数（Logarithm）谱,5-3-5 频带宽度（Band Width）、中心频率（Centre Frequency）,把声音作频谱分析要通过滤波器，若以一定的中心频率表示，这些中心频率称为规范频率。国际电声委员