电声学

电声学（英语：electroacoustics）是一门研究声电相互转换的原理、技术以及声信号的储存、加工、测量和利用的学科。电声学是声学、电子学和信号分析处理技术相交叉的边缘学科。其主要研究换能器的原理和设计，并扩展到包含用电子器件来产生各种频率、波形和强度的声音以及有关声音的接收、放大、传输、测量、分析和记录等电声技术。电声技术主要应用于有线或无线的通信系统和广播系统以及会场、剧院、录音棚、高保真度录放系统等方面。此外，还应用于声控、语控、语言识别和声测等方面。

电声学的起源最早可以追溯到人们对雷和电的认识。1729年，有人发现有些物体带电，有些物体不带电，电的特性可以传递信号。后来提出了换能器和电声换能器的概念，这对电声的发展具有重要的影响。1820年，奥斯特（Hans Christian Oersted）发现电流的磁效应之后，法拉第（Faraday）于次年提出“由磁产生电”的设想，并开始了艰苦的探索。1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立电动机的实验室模型。经过无数次实验的失败，终于在1831年发现了电磁感应定律。这一发现，使人类掌握了电磁运动相互转换以及机械能和电能相互转换的方法，成为现代发电机、电动机、变压器技术的基础。1857年，法国发明家斯科特（Scott）发明了声波振记器，能记录声波振动，这是最早的原始录音机，是留声机的鼻祖。

奥斯特

1876年，美国贝尔（Alexander Graham Bell）申请了一份专利“电话”，实现了电声转换，后贝尔获得该项发明的专利权。同年，伊莱沙·格雷（Elisha Gray）也发明了电话，后经美国最高法院最终裁定，贝尔发明了电话。电话的研究发展拉开了现代通信发展乃至音频产业的序幕。1877年，美国爱迪生（Thomas Alva Edison）发明了一种记录和重放声音的装置，即能实现声音信号存储和重放的留声机。同年，英国物理学家瑞利（Rayleigh.Baron）的《声学原理》出版。1881年巴黎电气展览会演示由两路碳粒传声器连接几对耳机的立体声系统。

爱迪生

进入20世纪，出现了使用电子管放大器和电磁式扬声器的扩声系统。同时，机电类比方法应用于电声换能器分析中，建立了电声学研究方法。1920年，美国肯尼迪（A.E.Kennedy）把类比概念和方法引入电声系统和机械振动系统，使二者可以利用成熟的电路系统的方法和结果，电声系统才进入科学的发展途径，真正成为一门学科。同时第一次世界大战后，科学家们把机电方面的研究成果应用于电声领域中，无线电广播的出现，真空管、电子管的发明应用，都推动了电声学的发展。1925年，贝尔研究所的J·P·马克斯菲尔德（J.P.Maxfield）采用“电气灌片”唱片，录音开始步入“电气化时代”。这时期，由电动拾音头、电子管放大器和电动扬声器组成的“电唱机”逐步实现。20世纪20年代后期，温特（Wente）和图拉斯（Thuras）生产出了第一款全指向性动圈式传声器。到了1947年12月，威廉·肖克利、约翰·巴顿和沃特·布拉顿成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。随着晶体管的出现，电声学的发展转入了新阶段，接连出现了密纹唱片（LP）、双通道立体声唱片等，这标志着唱片的发展真正进入高保真（HiFi）时代。20世纪70年代至今，是电声学与数字化紧密结合的年代。计算机、激光技术、大规模集成电路（LSI）等学科突飞猛进，促进了电声学的发展。电声学理论不断完善，电声产品、电声测量仪器日臻完善。1972年定义的综合数字网（IDN）和综合业务数字网（ISDN）实现了电话中的语音数字传输。1980年提出了数字声音广播（DAB）的概念。1982年推出数字激光唱片（CD）。同时各种数字测量分析仪（如FFT分析仪）的出现，可完成声音信号的频域和时域的多种分析处理。

威廉·肖克利

进入21世纪，出现了诸如iPod、MP3播放器等产品，电声学与人们生活息息相关。电声技术的发展还需要结合其他学科的研究成果，如立体声、环绕声和虚拟环绕声重放是电声学和心理声学的结合，微型硅传声器是电声学同微电子工艺的结合，传声器和扬声器阵列应用了电声信号数字处理技术，扩声和广播电声设备的网络化是通过接口和网络协议实现的。电声学理论也有待进一步发展，更重要的是电声学的应用将更进一步地改善人们的工作和生活质量。

MP3播放器

电声学总的发展趋势是：电声器件和电声设备朝着高保真度、立体声、高抗嗓能力、高效率、大通话容量的方向迈进；继续进行音质评价的研究、改善录放技术和音响加工技术；“机器认（发话）人”与识别语言等语言信息处理技术；提高检测声信号的能力等。只要发声过程和听感（知觉）过程各自地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，并受到有关计算机科学、数字信号处理的进步，相互促进，这些都说明了电声学是蕴藏着巨大生命力的学科。

电声换能器是指通过某种物理效应，实现电能与声能之间互相转换的器件或装置，简称换能器。扬声器和传声器是换能器应用的一种形式，统称为电声器件。

电声器件包括传声器、扬声器、扬声器系统（音箱）、头戴耳机、送话器等，受话器是电声系统设备的前端和终端。传声器用于通信、广播和娱乐，小型化、微型化和音质设计技术为其发展方向，阵列设计可实现强指向性接收。扬声器已发展成多种类型，从收音机、电视机到汽车扬声器。家用扬声器系统从单声、立体声到环绕声；专业扬声器系统从广播和唱片录音监听到场、馆、厅的扩声；还有实现房间特性补偿、电子分频，指向性控制的信号处理扬声器系统。头戴耳机有耳罩型录音监听头戴耳机，轻型开放式家用头戴耳机，手机、助听器用耳塞机，医用听力计用标准耳机及有源消声的隔声耳罩式耳机等。

声频放声装置

电声换能器所依据的换能原理各不相同，换能原理可分为电动式、电磁式、电容式、压电式、碳粒式和电子式等，其中在声频工程中较常用的是电动式和电容式。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。

• 电动式

电动式换能器是利用安培定律和电磁感应定律来实现电能与声能互换的。电动式换能器的导体呈线圈状，置于环形磁缝隙中，通常导体与振膜相连或本身制成薄膜状，当导体通过声频电流时，根据安培定律，导体将受到力的作用，并产生与声频电流相应的振动，带动振膜振动而辐射声波，从而实现从电能到机械能再到声能的转换。反过来，当振膜受到声波作用带动导体发生振动时,由于导体在磁场中切割磁力线运动，产生了相应的感生电动势，从而实现从声能到电能的转换。因此电动式换能器是通过磁场力的作用来实现电能与声能互换的，而且系统是无源可逆的。电动式换能器常被用于传声器、扬声器和耳机中。

• 电容式

电容式换能器是利用电容器极板之间的静电力来实现电能与声能互换的，也被称为静电式。其中，固定极板和振膜构成了一个可变电容器，固定极板常被称为背极板，振膜被称为可动极板，可变电容器是电容式换能器的主要部件。当可变电容器两端加有变化的声频电压时，由于极板间电压发生变化，产生了相应变化的电场和电场力，振膜受电场力作用后做相应的振动，从而将电能转化为声能。反之，当振膜受声波作用发生振动时，极板间距离发生了变化，电容器的电容就发生相应变化，使回路中产生相应的变化电流，在电阻两端获得相应的音频电压，从而实现由声能到电能的转换。但实现这种声电之间的线性变换有一个前提条件，即极板间存在一个直流极化电压。因此电容式换能器是依靠电场力的作用来实现力电变换的，它是一个有源可逆的系统。

• 压电式

压电式换能器是利用压电晶体、压电陶瓷或压电高分子聚合物薄膜的压电效应来实现电能与声能互换。压电高分子聚合物薄膜上下两面蒸镀金属电极，当交流电压作用于电极垂直方向上时，在薄膜的水平方向会产生应变。如果把薄膜做成两侧固定的曲面，则当电极上作用交变电压时，在曲面的法线方向会产生相应的振动，从而辐射声波。反之，当声波作用于压电材料制成的振膜上时，振膜受力发生变形，那么在它的界面会产生相应的电荷，形成电位差，从而实现声能到电能的变换。压电式换能器是无源可逆的系统，常被用于传声器、耳机中。

• 电磁式

电磁式换能器是利用电磁力对振动板或连有振膜的衔铁的作用来实现声电能量互换的。电磁式换能器多被用于语言通信，常被用于受话器和送话器中，也可做成扬声器。

• 碳粒式

碳粒式也叫电阻式，是一种利用碳粒间接触电阻受声压作用产生变化，从而获得相应变化的电信号的单向换能器，它只能实现从声能到电能的转换，是有源不可逆的。

• 电子式

电子式也叫半导体式，其工作原理与碳粒式相似，只能实现从声能到电能的转换，是一种有源单向换能器，通常被用于通信中做送话器。电子式换能器可分为压阻式和晶体管式两种。

电声技术主要研究声音信号的放大、记录、存储、传送、重放、交换、复制以及加工修饰。因而在政治、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。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。录放声技术是由录音和放音（重放）两部分组成的组合链。录音系统由传声器、调音台、录音机和录音监听系统组成，实现信号存储。由电台广播或制成唱片，实现声音的传播。录音技术从声道区分有单声、双声道立体声、多声道环绕声和虚拟环绕声（由双声道重放实现环绕声的声像效果）。录音存储可通过机械、光（电影）、磁、激光、磁光及半导体存储器等形式实现。信号可采用模拟或数字信号。由于PCM（脉码调制）音频数字信号的采样频率和采样精度不断提高，大量的数据传输和存储都需要压缩，从而发展了音频数据的有损压缩和无损压缩技术。放声系统由节目源和相应的放声设备组成，其组合方式由小型随身听、家用组合音响设备到各种公共场所的放声设备。

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，其方法见下表。

扩声系统中抑制声反馈的方法

电声学是声学各分支学科的基础，电声学的出现与发展，推动了声学其他分支学科的建立与发展。且电声学是声学的一个分支学科，在声学理论和声学工程及其发展中具有重要的地位。声学是研究声波的产生、传播、接收和效应的科学。随着电子学的出现和放大器的应用，声学的应用得到迅速发展。当前已经对任何频率、波形和强度的声波都可以产生、接收、测量和利用。近代声学又分成许多分支，如超声学、几何声学、物理声学、心理声学、生理声学、语言声学、音乐声学、建筑声学、分子声学等。

电声学的发展和电子学、计算机科学有着非常密切的关系。在它发展的过程中有过几次飞跃，第一次飞跃是1907年电子管的发明和1920年无线电广播的出现。因为有了电子管放大器，很微弱的声音也可以放大，而且可以定量测量，从而使电声学的一些研究成果扩展到通信和广播部门。第二次飞跃是在20世纪70年代初，由于电子计算机和数字信号处理的发展，人们发现：声音信号特别是语音信号，可以通过模数转换器（A/D）采样和量化，将其转换为数字信号，然后送进计算机，这样就可以用数字计算方法，对语音信号进行处理和加工。电子学研究范围广泛，只要涉及电子的相关内容几乎都在电子学的技术领域内，包括电子的发射、行为和效应，发明和应用电子器件等；其具体的基本内容可以分电子运动规律、电子器械制造以及电磁波的研究等。

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。机电学的主要任务是探讨各种发电机、电动机等原动机械的设计、制造等技术，是电气机械时代的产物。当发明了发电机和电动机之后，电能成了世界上最重要的二次能源，以电动机为主体的电气传动机构成了重要的执行机构，其应用领域迅速扩展，于是出现了大量以电力驱动为重要构成部件的电气机械，实现了机械与电器的结合。

电声学从频率范围来说主要是可听声频段，它在政治、军事、经济、文化等领域内有广泛的应用，从而形成了实用性很强的音频工程。其应用范围包括：声音（语言和音乐）合成的电声系统；声音分析测量的电声仪器；广播、电影和唱片的录音和录音监听系统，放声系统（家用、汽车、电影），扩声系统（厅堂、剧院、体育场、体育馆、歌舞厅），公共有线广播系统和背景音乐系统（宾馆、商场、机场、车站）；会议系统（电话会议、同声传译）；还有医疗中的耳聋助听器、听力计、听力康复设备等。

分泌性中耳炎（OME）是常见的儿童耳科疾病，可导致患儿听力下降，影响听觉发育。因患儿年幼，通常无法准确配合主观听力检测，因此客观听力检测对诊断儿童OME显得尤为重要。利用声导抗、镫骨肌声反射、听性脑干反应和耳声发射等临床常用的客观听力检测方法在儿童OME诊断中的应用，便于临床医生及时发现和分析判断，提高儿童OME的临床诊疗水平。声导抗测试可较好地反映中耳功能，在评估病情与疗效方面有一定意义。

音响技术是一项涉及电声学、建筑声学、乐理及电子技术的跨学科技术。专业的音响设计对于演出中的声音重放及艺术效果起到很大的作用，是影响声音质量的重要因素。

广播电台在社会生活中占据了至关重要的地位，主要包括节目、广告等语言录制工作，要想从根本上提高广大听众的满意度，就要以保障广播音效与音质为目标，设计优良且与播音室声学标准相符的录音室，构建良好的录音监听系统。在录音室与控制室内要分别安装录音系统。而在录音过程中，话筒的主要任务是拾取一切声音。语言录音是电声与艺术的最好结合形式，在具体录音过程中要根据录音室设备情况和播音员的自身水平总结经验，不断提高录音水平与录音效果，尽可能满足广大听众的需求。