电 声 学

   电声学是研究声电相互转换的原理和技术,以及声信号的存储、加工、传递、测量和利用的科学。它所涉及的频率范围很广泛,从极低频的次声一直延伸到几十亿赫的特超声。不过通常所指的电声,都属于可听声范围。

    电声技术的历史最早可以追溯到19世纪,由爱迪生发明留声机和贝尔发明用于电话机的碳粒传声器开始,1881年曾有人以两个碳粒传声器连接几对耳机,作了双通路的立体声传递表演。大约在1919年第一次用电子管放大器和电磁式扬声器做了扩声实验。

    在第一次世界大战以后,科学家们把机电方面的研究成果应用于电声领域中,于是电声学就有了理论基础。随着电声换能器理论的发展,较为完善的各类电声设备和电声测量仪器相继问世,较别是20世纪70年代来,电子计算机和激光技术在电声领域中的应用,大大促进了电声学的发展。

    电声转换器是把声能转换成电能或电能转换成声能的器件,对它的研究是电声学的一个重要内容分支。广义的电声换能器应用的频率范围很宽,包括次声、可听声、超声换能器。属于可听声频率范围内的电声换能器有传声器、扬声器、送受话器、助听器等等。按照换能方式,它们又可以分成电动式、静电式、压电式、电磁式、碳粒式、离子式和调制气流式等。其中后三种是不可逆的,碳粒式只能把声能变成电能,离子式和调制气流式的只能产生声能。而其他类型换能器则是可逆的,即可用作声接收器,也可用作声发射器。

    各种电声换能器,尽管其类型、功用或工作状态不同,它们都包含两个基本组成部分,即电系统和机械振动系统。在换能器内部,电系统和机械振动系统之间通过某种物理效应相互联系,以完成能量的转换;在其外部,换能器的电系统与信号发生器的输出回路,或前级放大器的输入回路相匹配;而换能器的机械振动系统,以其振动表面与声场相匹配。所以设计电声换能器要同时考虑到力-电-声三个体系。

    这三种体系是互相牵制的,处理得不好往往会顾此失彼。例如,一个有效的磁系统可能会非常笨重,变成一种令人不能接受的声障碍物;或者声输入阻抗或电输出阻抗的数值,可能根本不能与周围媒质或附属设备相匹配。由此可见,电声换能器的设计总是在许多相互矛盾的因素中采取折衷的办法,因而在一定程度上可能还带有许多主观判断的技巧在内。

    电声技术是电声领域中发展得比较快的一个分支,在政治、军事、文化各个领域内有着广泛的应用。例如,应用于有线或无线通信系统,有线或无线广播系统以及会场、剧院的扩声;录音棚、高保真录放系统等;此外还应用于发展中的声控语控技术;以及语言识别和声测等新技术。总起来说,它主要包括录放声技术、扩声技术以及与它们有关的电声仪器和电声测试技术等。

    录放声技术是指把自然声音经过一系列技术设备 (如传声器、录音机、拾声器等)进行接收、放大、传送、存储、记录和复制加工,然后再重放出来供人聆听的技术。它研究的主要问题是如何保持自然声的优良的音质,即在各个环带以及整个系统,都具有逼真地保持声音信号原来面貌的能力,包括对声音信号进行必要的美化和加工。

    声频放声装置,可分成四个部分:输入端录声机、电唱机、接收机是从盒式磁带、唱片及广播电波中把希望的节目作为电信号提取出来的设备;前级控制台(包括前置放大器、衰减器、混合网路等)主要作调音用;功率放大器是将控制台的输出信号增强到能够驱动扬声器系统工作的放大器;最后一部分扬声器或耳机是将电信号转换成声信号,收听室相当于扬声器系统的使用环境,对重放音乐的音质起很大的作用。

    扩声系统主要包括:声源和它周围的环境、把声信号转变为电信号的传声器,放大电信号并对信号加工的设备,传输线,把电信号转变为声信号的扬声器和听众区的声学环境。扩声不同于放声之处是传声器和扬声器处在同一声场内。因此扩声系统是具有反馈的系统。在通路增益足够大时系统就会失去稳定性,并过渡到自振状态,产生啸叫。所以在扩声技术中除了对声信号进行加工美化外,为了提高扩声系统的最大功率增益,改进扩声质量和系统的稳定性,必须采取措施来抑制声反馈所引起的声音畸变。

    电声学还是一门与人的主观因素密切相关的物理科学,原因是从声源到接收都摆脱不了人的因素。声音是多维空间问题(它包括音调、音色、持续时间、强度、声源方位以及噪声干扰等),其中每一维变化都对听感有影响。复杂的主观感受并不是任何仪表所能完全反映出来的,这必须联系到生理声学和心理声学、语言声学甚至音乐声学和建筑声学等各个方面的问题,因而形成了电声学的特色和它的复杂性。

    社会的发展和生产的需要,对电声学提出了大量的实际和理论问题。因此电声学总的发展趋势是:电声器件和电声设备朝着高保真、立体声、高抗噪能力、高效率、高通话容量的方向发展;还要进行音质评价的研究,改善录放技术以及声音加工技术;新的换能机理的研究以及新材料的开发;提高检测声信号的能力仍是声测技术的主攻方向。

    总之,只要发声过程和听感(知觉)过程以及与二者互相联系的物理和生理上的规律不断为人们所掌握,电声学便会不断有新的发展,所以电声学是蕴藏着巨大生命力的学科。