声音的频率特性

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所属分类:声学科普

声音的频率描述的是粒子往复运动一个周期的快慢,即它是指每秒钟粒子可周期往复运动的次数。广义的讲,声学研究的范围是从10-4Hz(赫兹)开始,也就是每秒钟振动10-4次,反过来讲,就是一个周期10000秒,非常非常慢。声学不研究直流,不研究平均流,这一块是力学研究的主要内容,静力学或者动力学研究的是平稳的,变化很慢的。10-4~20Hz,这个范畴我们叫次声,这是人的耳朵听不到的声,就是变化很慢的声音。实际上人的耳朵对声波的响应范围很窄,是从20Hz到20kHz,在这个范围以外,人的耳朵都听不见了,所以在这个范围以内的声波称为可听声,20kHz以上的声叫超声。

次声频段的声波在大气物理、地球物理中都有很多的用处,地震和台风都会产生次声,在几千公里以外,使用很灵敏的声学传感器就能接收到这种信号,然后可以处理,可以定位台风在什么地方,强度的大小这些都可以知道。到了20kHz以上,人的耳朵也听不见了,在超声频段声波可以干什么呢?大家最熟悉的可能是每年我们做体检,都要做B超,就是要用超声波来检测我们人体内有没有病变,有没有什么缺陷;另外,超声还可以检查材料,检查工业上的一些东西;有一种大家很熟悉的动物把超声来作为它的眼睛用,那就是蝙蝠,它发出超声波,然后来探测它前面有没有障碍,随时拐弯,所以蝙蝠用的就是空气里面的声呐。

而在20~20kHz频率范围内的声音就属于我们熟悉的可听声了。我们之所以仍可以在不是特别吵的环境中进行正常的交流,就是由于声音的频率不同。因此在实际降噪项目中,可以通过对声波频率的分析,得到不同声源对总声压级的贡献,从而找到最主要声源,进而开展噪声控制。

声音的频率特性

声波的频率分析,首先是将时域声波信号经过傅立叶变换,得到的上图所示的频谱。从图中可知,由声波的频谱图可以精确的知道声音在哪些频率上存在主要峰值,并由该峰值分析得到其主要声源,从而为后续降噪方案的制定得到合理的依据。

然而由于可听声的频率范围20~20kHz,宽达10个倍频程。一方面频率在人耳听感的响应是音调,它也是与声波强度一样,其感受的变化与频率的指数变化相关。20~20kHz约为10个倍频程,其频率分布范围非常广;另一方面从图1分析的频带到4000Hz时,其谱线就已经过密,同时该频段大部分也不需要展现,也无法展现细节。因此对噪声作频谱分析时,一般并不需要每一个频率上声能量的详细分布。通常为方便起见,常在连续频率范围内把它划分为若干个相连的小段,每一小段叫做频带或频程,每个小频带内的声能量被认为是均匀的,然后研究不同频带上的分布情况。根据不同的要求,声学量的分析频率带宽的选择也不一样。大致而言,当分析精度要求高时,分析频带应选用窄频带宽;如果是简单测量,则频率分析带宽可以放宽。实际测量中最为常用的频率分析带宽为窄频带宽、倍频程和1/3倍频程带宽。其中,窄频带宽是恒定频率分析带宽,它的大小由频谱分析仪类型和分析频率上限值确定;倍频程带宽和1/3倍频程带宽为百分比带宽。

频程的中心频率f0 与带宽上、下限截止频率fh 和fl 的关系为:

f0=10^(n/10), fl=10^[(n-1.5)/10], fh=10^[(n+1.5)/10]

1/3倍频程的中心频率f0 与带宽上、下限截止频率fh 和fl 的关系为:

f0=10^(n/10), fl=10^[(n-0.5)/10], fh=10^[(n+0.5)/10]

式中,n 称为倍频程频带数,^为多少次方的意思。

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