電聲學

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電聲學是研究聲電相互轉換的原理和技術,以及聲信號的存儲、加工、傳遞、測量和利用的科學。它所涉及的頻率范圍很廣泛,從極低頻的次聲一直延伸到幾十億赫的特超聲。不過通常所指的電聲,都屬于可聽聲范圍。
    電聲技術的歷史最早可以追溯到19世紀,由愛迪生發(fā)明留聲機和貝爾發(fā)明用于電話機的碳粒傳聲器開始,1881年曾有人以兩個碳粒傳聲器連接幾對耳機,作了雙通路的立體聲傳遞表演。大約在1919年第一次用電子管放大器和電磁式揚聲器做了擴聲實驗。
    在第一次世界大戰(zhàn)以后,科學家們把機電方面的研究成果應用于電聲領域中,于是電聲學就有了理論基礎。隨著電聲換能器理論的發(fā)展,較為完善的各類電聲設備和電聲測量儀器相繼問世,較別是20世紀70年代來,電子計算機和激光技術在電聲領域中的應用,大大促進了電聲學的發(fā)展。
    電聲轉換器是把聲能轉換成電能或電能轉換成聲能的器件,對它的研究是電聲學的一個重要內容分支。廣義的電聲換能器應用的頻率范圍很寬,包括次聲、可聽聲、超聲換能器。屬于可聽聲頻率范圍內的電聲換能器有傳聲器、揚聲器、送受話器、助聽器等等。按照換能方式,它們又可以分成電動式、靜電式、壓電式、電磁式、碳粒式、離子式和調制氣流式等。其中后三種是不可逆的,碳粒式只能把聲能變成電能,離子式和調制氣流式的只能產生聲能。而其他類型換能器則是可逆的,即可用作聲接收器,也可用作聲發(fā)射器。
    各種電聲換能器,盡管其類型、功用或工作狀態(tài)不同,它們都包含兩個基本組成部分,即電系統(tǒng)和機械振動系統(tǒng)。在換能器內部,電系統(tǒng)和機械振動系統(tǒng)之間通過某種物理效應相互聯(lián)系,以完成能量的轉換;在其外部,換能器的電系統(tǒng)與信號發(fā)生器的輸出回路,或前級放大器的輸入回路相匹配;而換能器的機械振動系統(tǒng),以其振動表面與聲場相匹配。所以設計電聲換能器要同時考慮到力-電-聲三個體系。
    這三種體系是互相牽制的,處理得不好往往會顧此失彼。例如,一個有效的磁系統(tǒng)可能會非常笨重,變成一種令人不能接受的聲障礙物;或者聲輸入阻抗或電輸出阻抗的數(shù)值,可能根本不能與周圍媒質或附屬設備相匹配。由此可見,電聲換能器的設計總是在許多相互矛盾的因素中采取折衷的辦法,因而在一定程度上可能還帶有許多主觀判斷的技巧在內。
    電聲技術是電聲領域中發(fā)展得比較快的一個分支,在政治、軍事、文化各個領域內有著廣泛的應用。例如,應用于有線或無線通信系統(tǒng),有線或無線廣播系統(tǒng)以及會場、劇院的擴聲;錄音棚、高保真錄放系統(tǒng)等;此外還應用于發(fā)展中的聲控語控技術;以及語言識別和聲測等新技術??偲饋碚f,它主要包括錄放聲技術、擴聲技術以及與它們有關的電聲儀器和電聲測試技術等。
    錄放聲技術是指把自然聲音經過一系列技術設備(如傳聲器、錄音機、拾聲器等)進行接收、放大、傳送、存儲、記錄和復制加工,然后再重放出來供人聆聽的技術。它研究的主要問題是如何保持自然聲的優(yōu)良的音質,即在各個環(huán)帶以及整個系統(tǒng),都具有逼真地保持聲音信號原來面貌的能力,包括對聲音信號進行必要的美化和加工。
    聲頻放聲裝置,可分成四個部分:輸入端錄聲機、電唱機、接收機是從盒式磁帶、唱片及廣播電波中把希望的節(jié)目作為電信號提取出來的設備;前級控制臺(包括前置放大器、衰減器、混合網(wǎng)路等)主要作調音用;功率放大器是將控制臺的輸出信號增強到能夠驅動揚聲器系統(tǒng)工作的放大器;最后一部分揚聲器或耳機是將電信號轉換成聲信號,收聽室相當于揚聲器系統(tǒng)的使用環(huán)境,對重放音樂的音質起很大的作用。
    擴聲系統(tǒng)主要包括:聲源和它周圍的環(huán)境、把聲信號轉變?yōu)殡娦盘柕膫髀暺?,放大電信號并對信號加工的設備,傳輸線,把電信號轉變?yōu)槁曅盘柕膿P聲器和聽眾區(qū)的聲學環(huán)境。擴聲不同于放聲之處是傳聲器和揚聲器處在同一聲場內。因此擴聲系統(tǒng)是具有反饋的系統(tǒng)。在通路增益足夠大時系統(tǒng)就會失去穩(wěn)定性,并過渡到自振狀態(tài),產生嘯叫。所以在擴聲技術中除了對聲信號進行加工美化外,為了提高擴聲系統(tǒng)的功率增益,改進擴聲質量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,必須采取措施來抑制聲反饋所引起的聲音畸變。
    電聲學還是一門與人的主觀因素密切相關的物理科學,原因是從聲源到接收都擺脫不了人的因素。聲音是多維空間問題(它包括音調、音色、持續(xù)時間、強度、聲源方位以及噪聲干擾等),其中每一維變化都對聽感有影響。復雜的主觀感受并不是任何儀表所能完全反映出來的,這必須聯(lián)系到生理聲學和心理聲學、語言聲學甚至音樂聲學和建筑聲學等各個方面的問題,因而形成了電聲學的特色和它的復雜性。
    社會的發(fā)展和生產的需要,對電聲學提出了大量的實際和理論問題。因此電聲學總的發(fā)展趨勢是:電聲器件和電聲設備朝著高保真、立體聲、高抗噪能力、高效率、高通話容量的方向發(fā)展;還要進行音質評價的研究,改善錄放技術以及聲音加工技術;新的換能機理的研究以及新材料的開發(fā);提高檢測聲信號的能力仍是聲測技術的主攻方向。
    總之,只要發(fā)聲過程和聽感(知覺)過程以及與二者互相聯(lián)系的物理和生理上的規(guī)律不斷為人們所掌握,電聲學便會不斷有新的發(fā)展,所以電聲學是蘊藏著巨大生命力的學科。