Файл: Audio and Radio Engineering.pdf

1-1

Section

1

Principles of Sound and Hearing

Sound would be of little interest if we could not hear. It is through the production and perception
of sounds that it is possible to communicate and monitor events in our surroundings. Some
sounds are functional, others are created for aesthetic pleasure, and still others yield only annoy-
ance. Obviously a comprehensive examination of sound must embrace not only the physical
properties of the phenomenon but also the consequences of interaction with listeners.

This section deals with sound in its various forms, beginning with a description of what it is

and how it is generated, how it propagates in various environments, and, finally, what happens
when sound impinges on the ears and is transformed into a perception. Part of this examination is
a discussion of the factors that influence the opinions about sound and spatial qualities that so
readily form when listening to music, whether live or reproduced.

Audio engineering, in virtually all its facets, benefits from an understanding of these basic

principles. A foundation of technical knowledge is a useful instrument, and, fortunately, most of
the important ideas can be understood without recourse to complex mathematics. It is the intui-
tive interpretation of the principles that is stressed in this section; more detailed information can
be found in the reference material.

In This Section:

Chapter 1.1: The Physical Nature of Sound

1-7

Introduction

1-7

Sound Waves

1-7

Complex Sounds

1-11

Phase

1-11

Spectra

1-11

Dimensions of Sound

1-16

References

1-19

Chapter 1.2: Sound Propagation

1-21

Introduction

1-21

Inverse-Square and Other Laws

1-21

Sound Reflection and Absorption

1-22

Downloaded from Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (www.digitalengineeringlibrary.com)

Copyright © 2004 The McGraw-Hill Companies. All rights reserved.

Any use is subject to the Terms of Use as given at the website.

Source: Standard Handbook of Audio and Radio Engineering

1-2 Section One

Interference: The Sum of Multiple Sound Sources

1-24

Diffraction

1-28

Refraction

1-30

References

1-31

Chapter 1.3: Resonance

1-33

Introduction

1-33

Fundamental Properties

1-33

Resonance in Pipes

1-36

Resonance in Rooms and Large Enclosures

1-39

Resonance in Small Enclosures: Helmholtz Resonators

1-40

Horns

1-41

References

1-41

Chapter 1.4: The Physical Nature of Hearing

1-43

Introduction

1-43

Anatomy of the Ear

1-43

Psychoacoustics and the Dimensions of Hearing

1-45

Loudness

1-45

Loudness as a Function of Frequency and Amplitude

1-45

Loudness as a Function of Bandwidth

1-47

Loudness as a Function of Duration

1-47

Measuring the Loudness of Complex Sounds

1-47

Masking

1-49

Simultaneous Masking

1-49

Temporal Masking

1-50

Acoustic Reflex

1-51

Pitch

1-51

Timbre, Sound Quality, and Perceptual Dimensions

1-52

Audibility of Variations in Amplitude and Phase

1-56

Perception of Direction and Space

1-57

Monaural Transfer Functions of the Ear

1-58

Interaural Differences

1-60

Localization Blur

1-61

Lateralization versus Localization

1-61

Spatial Impression

1-63

Distance Hearing

1-63

Stereophonic Imaging

1-64

Summing Localization with Interchannel Time/Amplitude Differences 1-66

Effect of Listener Position

1-66

Stereo Image Quality and Spaciousness

1-70

Special Role of the Loudspeakers

1-70

Sound in Rooms: The General Case

1-71

Precedence Effect and the Law of the First Wavefront

1-71

Binaural Discrimination

1-72

References

1-72

Downloaded from Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (www.digitalengineeringlibrary.com)

Copyright © 2004 The McGraw-Hill Companies. All rights reserved.

Any use is subject to the Terms of Use as given at the website.

Principles of Sound and Hearing

Principles of Sound and Hearing 1-3

Reference Documents for this Section:

Backus, John: The Acoustical Foundations of Music, Norton, New York, N.Y., 1969.

Batteau, D. W.: “The Role of the Pinna in Human Localization,” Proc. R. Soc. London, B168, pp.

158–180, 1967.

Benade, A. H.: Fundamentals of Musical Acoustics, Oxford University Press, New York, N.Y.,

1976.

Beranek, Leo L: Acoustics, McGraw-Hill, New York, N.Y., 1954.

Blauert, J., and W. Lindemann: “Auditory Spaciousness: Some Further Psychoacoustic Studies,”

J. Acoust. Soc. Am., vol. 80, 533–542, 1986.

Blauert, J: Spatial Hearing, translation by J. S. Allen, M.I.T., Cambridge. Mass., 1983.

Bloom, P. J.: “Creating Source Elevation Illusions by Spectral Manipulations,” J. Audio Eng.

Soc., vol. 25, pp. 560–565, 1977.

Bose, A. G.: “On the Design, Measurement and Evaluation of Loudspeakers,” presented at the

35th convention of the Audio Engineering Society, preprint 622, 1962.

Buchlein, R.: “The Audibility of Frequency Response Irregularities” (1962), reprinted in English

translation in J. Audio Eng. Soc., vol. 29, pp. 126–131, 1981.

Denes, Peter B., and E. N. Pinson: The Speech Chain, Bell Telephone Laboratories, Waverly,

1963.

Durlach, N. I., and H. S. Colburn: “Binaural Phenemena,” in Handbook of Perception, E. C. Car-

terette and M. P. Friedman (eds.), vol. 4, Academic, New York, N.Y., 1978.

Ehara, Shiro: “Instantaneous Pressure Distributions of Orchestra Sounds,” J. Acoust. Soc. Japan,

vol. 22, pp. 276–289, 1966.

Fletcher, H., and W. A. Munson: “Loudness, Its Definition, Measurement and Calculation,” J.

Acoust. Soc. Am., vol. 5, pp. 82–108, 1933.

Fryer, P.: “Loudspeaker Distortions—Can We Rear Them?,” Hi-Fi News Record Rev., vol. 22,

pp. 51–56, 1977.

Gabrielsson, A., and B. Lindstrom: “Perceived Sound Quality of High-Fidelity Loudspeakers.” J.

Audio Eng. Soc., vol. 33, pp. 33–53, 1985.

Gabrielsson, A., and H. Siogren: “Perceived Sound Quality of Sound-Reproducing Systems,” J.

Aoust. Soc. Am., vol. 65, pp. 1019–1033, 1979.

Haas, H.: “The Influence of a Single Echo on the Audibility of Speech,” Acustica, vol. I, pp. 49–

58, 1951; English translation reprinted in J. Audio Eng. Soc., vol. 20, pp. 146–159, 1972.

Hall, Donald: Musical Acoustics—An Introduction, Wadsworth, Belmont, Calif., 1980.

International Electrotechnical Commission: Sound System Equipment, part 10, Programme Level

Meters, Publication 268-1 0A, 1978.

International Organization for Standardization: Normal Equal-Loudness Contours for Pure

Tones and Normal Threshold for Hearing under Free Field Listening Conditions, Recom-
mendation R226, December 1961.

Downloaded from Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (www.digitalengineeringlibrary.com)

Copyright © 2004 The McGraw-Hill Companies. All rights reserved.

Any use is subject to the Terms of Use as given at the website.

Principles of Sound and Hearing

1-4 Section One

Jones, B. L., and E. L. Torick: “A New Loudness Indicator for Use in Broadcasting,” J. SMPTE,

Society of Motion Picture and Television Engineers, White Plains, N.Y., vol. 90, pp. 772–
777, 1981.

Kuhl, W., and R. Plantz: “The Significance of the Diffuse Sound Radiated from Loudspeakers

for the Subjective Hearing Event,” Acustica, vol. 40, pp. 182–190, 1978.

Kuhn, G. F.: “Model for the Interaural Time Differences in the Azimuthal Plane,” J. Acoust. Soc.

Am., vol. 62, pp. 157–167, 1977.

Kurozumi, K., and K. Ohgushi: “The Relationship between the Cross-Correlation Coefficient of

Two-Channel Acoustic Signals and Sound Image Quality,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 74, pp.
1726–1733, 1983.

Main, Ian G.: Vibrations and Waves in Physics, Cambridge, London, 1978.

Mankovsky, V. S.: Acoustics of Studios and Auditoria, Focal Press, London, 1971.

Meyer, J.: Acoustics and the Performance of Music, Verlag das Musikinstrument, Frankfurt am

Main, 1987.

Morse, Philip M.: Vibrations and Sound, 1964, reprinted by the Acoustical Society of America,

New York, N.Y., 1976.

Olson, Harry F.: Acoustical Engineering, Van Nostrand, New York, N.Y., 1957.

Pickett, J. M.: The Sounds of Speech Communications, University Park Press, Baltimore, MD,

1980.

Pierce, John R.: The Science of Musical Sound, Scientific American Library, New York, N.Y.,

1983.

Piercy, J. E., and T. F. W. Embleton: “Sound Propagation in the Open Air,” in Handbook of Noise

Control, 2d ed., C. M. Harris (ed.), McGraw-Hill, New York, N.Y., 1979.

Plomp, R.: Aspects  of  Tone Sensation—A Psychophysical Study,” Academic, New York, N.Y.,

1976.

Rakerd, B., and W. M. Hartmann: “Localization of Sound in Rooms, II—The Effects of a Single

Reflecting Surface,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 78, pp. 524–533, 1985.

Rasch, R. A., and R. Plomp: “The Listener and the Acoustic Environment,” in D. Deutsch (ed.),

The Psychology of Music, Academic, New York, N.Y., 1982.

Robinson, D. W., and R. S. Dadson: “A Redetermination of the Equal-Loudness Relations for

Pure Tones,” Br. J. Appl. Physics, vol. 7, pp. 166–181, 1956.

Scharf, B.: “Loudness,” in E. C. Carterette and M. P. Friedman (eds.), Handbook of Perception,

vol. 4, Hearing, chapter 6, Academic, New York, N.Y., 1978.

Shaw, E. A. G., and M. M. Vaillancourt: “Transformation of Sound-Pressure Level from the Free

Field to the Eardrum Presented in Numerical Form,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 78, pp. 1120–
1123, 1985.

Shaw, E. A. G., and R. Teranishi: “Sound Pressure Generated in an External-Ear Replica and

Real Human Ears by a Nearby Sound Source,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 44, pp. 240–249,
1968.

Downloaded from Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (www.digitalengineeringlibrary.com)

Copyright © 2004 The McGraw-Hill Companies. All rights reserved.

Any use is subject to the Terms of Use as given at the website.

Principles of Sound and Hearing

Principles of Sound and Hearing 1-5

Shaw, E. A. G.: “Aural Reception,” in A. Lara Saenz and R. W. B. Stevens (eds.), Noise Pollu-

tion, Wiley, New York, N.Y., 1986.

Shaw, E. A. G.: “External Ear Response and Sound Localization,” in R. W. Gatehouse (ed.),

Localization of Sound: Theory and Applications, Amphora Press, Groton, Conn., 1982.

Shaw, E. A. G.: “Noise Pollution—What Can be Done?” Phys. Today, vol. 28, no. 1, pp. 46–58,

1975.

Shaw, E. A. G.: “The Acoustics of the External Ear,” in W. D. Keidel and W. D. Neff (eds.),

Handbook of Sensory Physiology, vol. V/I, Auditory System, Springer-Verlag, Berlin, 1974.

Shaw, E. A. G.: “Transformation of Sound Pressure Level from the Free Field to the Eardrum in

the Horizontal Plane,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 56, pp. 1848–1861, 1974.

Stephens, R. W. B., and A. E. Bate: Acoustics and Vibrational Physics, 2nd ed., E. Arnold (ed.),

London, 1966.

Stevens, W. R.: “Loudspeakers—Cabinet Effects,” Hi-Fi News Record Rev., vol. 21, pp. 87–93,

1976.

Sundberg, Johan: “The Acoustics of the Singing Voice,” in The Physics of Music, introduction by

C. M. Hutchins, Scientific American/Freeman, San Francisco, Calif., 1978.

Tonic, F. E.: “Loudness—Applications and Implications to Audio,” dB, Part 1, vol. 7, no. 5, pp.

27–30; Part 2, vol. 7, no. 6, pp. 25–28, 1973.

Toole, F. E., and B. McA. Sayers: “Lateralization Judgments and the Nature of Binaural Acoustic

Images,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 37, pp. 319–324, 1965.

Toole, F. E.: “Loudspeaker Measurements and Their Relationship to Listener Preferences,” J.

Audio Eng. Soc., vol. 34, part 1, pp. 227–235, part 2, pp. 323–348, 1986.

Toole, F. E.: “Subjective Measurements of Loudspeaker Sound Quality and Listener Perfor-

mance,” J. Audio Eng. Soc., vol. 33, pp. 2–32, 1985.

Voelker, E. J.: “Control Rooms for Music Monitoring,” J. Audio Eng. Soc., vol. 33, pp. 452–462,

1985.

Ward, W. D.: “Subjective Musical Pitch,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 26, pp. 369–380, 1954.

Waterhouse, R. V., and C. M. Harris: “Sound in Enclosed Spaces,” in Handbook of Noise Con-

trol, 2d ed., C. M. Harris (ed.), McGraw-Hill, New York, N.Y., 1979.

Wong, G. S. K.: “Speed of Sound in Standard Air,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 79, pp. 1359–1366,

1986.

Zurek, P. M.: “Measurements of Binaural Echo Suppression,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 66, pp.

1750–1757, 1979.

Zwislocki, J. J.: “Masking—Experimental and Theoretical Aspects of Simultaneous, For-ward,

Backward and Central Masking,” in E. C. Carterette and M. P. Friedman (eds.), Handbook
of Perception, vol. 4, Hearing, chapter 8, Academic, New York, N.Y., 1978. 

Downloaded from Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (www.digitalengineeringlibrary.com)

Copyright © 2004 The McGraw-Hill Companies. All rights reserved.

Any use is subject to the Terms of Use as given at the website.

Principles of Sound and Hearing