声学知识
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线声源及点声源的分析理解

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我们都知道,声音是由客观物体振动,通过介质传播,并作用于听觉系统而产生的主观感觉。“声”由声源发出,“音”在传播介质中向外传播。此文主要就声音产生的必要条件之一——“声源”谈谈一些理解。

线声源及点声源的分析理解-1

声源的类型

声源的类型按照其几何形状分为:点声源、线声源及面声源,不同的声源声波辐射方式不同。

线声源及点声源的分析理解-2

当声源的尺寸相对于声波的波长或传播距离而言比较小,且声源的指向性不强时,可近似看为点声源,如一个人讲话、拍掌,它是以球面波的方式向外辐射。

平时我们经常听到的火车开过的噪音、公路上大量机动车辆行驶的噪音等,可将其看做由许多点声源组成的线状声源,这些线声源以近似柱面波形式向外辐射噪声。

而平面声源是以平面波向外辐射,在平面上辐射声能的作用处处相等,如下图所示,无论听者站在音箱墙前的任何位置听到的都是同等的声压,目前,这一类的声源应用相对较少。

线声源及点声源的分析理解-3

在我们的专业扩声系统中,最具代表性的即线阵列扬声器系统和常规扬声器系统(纯点声源扬声器系统的非标准名称)。对于一些初学者,可能会认为线阵列就是线声源,但其实并非如此。

我们一起回顾并理解上一段所讲的内容便可知,线阵列扬声器系统所辐射的声波波阵面图形类似柱状波,近似于线声源,但当到达一定临界距离之后,它与常规扬声器系统一样,开始由柱状波渐变过渡为球状波向外辐射。

线阵列扬声器系统在临界距离内按照距离加倍,声压级减少3dB进行衰减;在临界距离外按照距离加倍,声压级减少6dB进行衰减。这个声压级衰减量从3dB过渡到6dB的距离即称为临界距离,线阵列长度越长,柱面波发散成为球面波的距离就越远。

任何一个有限大小的声源在自由空间的辐射,其波阵面总是要发散的,柱面波最终会发散成为球面波,即由“距离增加1倍声压级减小3dB”变为“距离增加1倍声压级减小6dB”,因此,线阵列并非就完全是线声源。那为什么是按照3dB、6dB这个量来进行衰减呢?下面一一为您解释。

关于声衰减

点声源是按照球面波进行辐射的,根据辐射的球面波的表面积即可计算出声压的变化。球面的表面积计算公式:S0球面=4πr2(r 为球面的半径,也即辐射的距离),当r 为原来的两倍,即辐射距离为2r 时,球面的表面积为:S1球面=4π(2r)2=4S0球面,如下图:

线声源及点声源的分析理解-4

即:当辐射的距离变为原来的2倍时,球面表面积变为原来的4倍,声强则变为原来的1/4。换算成分贝,即为10lg1/4=-6dB,也就是我们常说的点声源辐射距离增加一倍,声压级衰减6dB。

而线声源是按照柱面波进行辐射,根据辐射的柱面波的表面积即可计算出声压的变化。柱面的表面积计算公式:S0柱面=2πrh(r为球面的半径,也即辐射的距离),当r为原来的两倍,即辐射距离为2r时,柱面的表面积为:S1柱面=2π(2r)h=2S0柱面,如下图:

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即:当辐射的距离变为原来的2倍时,柱面表面积变为原来的2倍,声强则变为原来的1/2。换算成分贝,即为10lg1/2=-3dB。即线声源辐射距离增加一倍,声压级衰减3dB。

根据以上计算结果可得出一个结论:线声源由于距离产生的声衰减明显比点声源小,同样声功率条件下,线声源的传输距离大一倍;同样传输距离条件下,功率消耗少一倍!

声衰减是音响行业从业者们必须掌握的一个技术要点,特别是在我们的设计工作中,它是我们进行扬声器配置的重要参考计算依据之一。

如果不统一,那么就容易被线阵列的声衰减计算所难住,有人按照点声源的方式进行计算,有人按照线声源的方式进行计算,而我们常用的有限长度的线阵列并非真正的线声源,在其临界距离内,我们应该按照线声源衰减进行计算,在临界距离外,我们应该按照点声源衰减进行计算。

结论:无论是点声源、线声源,抑或是面声源,都是为了实现电声还原。在进行选择时,更主要的是明确我们所需要解决的问题,是为了得到最好的声音还原?还是更好的指向性控制及直达声比例?只有优先考虑最需解决的问题才是关键!

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