科普音响学基础知识：室内声学原理与设计

紫竹心 · 发表于 2010-7-28 09:57:13

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♡ 一、室内声场♡
从室外某一声源发生的声波，以球面波的形式连续向外传播，随着接收点与声源距离的增加，声能迅速衰减。

在这种情况下，声源发出的声能无阻挡地向远处传播，接收点的声能密度与声源距离的平方成反比，即距离每增加1倍衰减6dB，性质极为单纯。

在剧院的观众厅、体育馆、教室、播音室等封闭空间内，声波在传播时将受到封闭空间各个界面（墙壁、顶棚、地面等）的反射与吸收，声波相互重叠形成复杂声场，即室内声场，并引起一系列特有的声学特性。
（一）室内声场的特征
室内声场主要具有以下两个特点：

1、距声源有一定距离的接收点上，声能密度比在自由声场中要大，常不随距离的平方衰减。
2、声源在停止发声以后，在一定的时间里，声场中还存在着来自各个界面的迟到的反射声，产生所胃“混响现象”。

室内声音传播示意图
此外，由于与房间的共振，引起室内声音某些频率的加强或减弱；由于室的形状和内装修材料的布置，形成回声、颤动回声及其他各种特异现象，产生一系列复杂问题。如何控制室的形状及吸声——反射材料的分布，使室内具有良好的声环境，是室内声学设计的主要目的。
（二）几何声学
忽略声音的波动性质，以几何学的方法分析声音能量的传播、反射、扩散的叫“几何声学”。与此相对，着眼于声音波动性的分析方法叫做“波动声学”或“物理声学”。
对于室内声场的分析，用波动声学的方法只能解决体型简单、频率较低的较为单纯的情况。在实际的大厅里，其界面的形状和性质复杂多变，用波动声学的方法分析十分困难。但是在一个比波长大得多的室内空间中，如果忽略声音的波动性，用几何学的方法分析，其结果就会十分简单明了。因此在解决室内声学的多数实际问题中,常常用几何学的方法，就是几何声学的方法。当然，这并不是说波动理论不重要，为了正确运用几何声学的方法，对声音的波动性质也应有正确和足够的理解。

室内声音反射的几种典型情况
几何声学的方法就是把与声波的波阵面相垂直的直线作为声音的传播方向和路径，称为“声线”。声线与反射性的平面相遇，产生反射声。反射声的方向遵循入射角等于反射角的原理。用这种方法可以简单和形象地分析出许多室内声学现象，如直达声与反射声的传播路径、反射声的延迟以及声波的聚焦、发散等等。
二、室内声音的增长、稳态与衰减

对于室内声音的形成，除了考虑其空间分布外，还需考虑到达某一接收点的直达声和各个反射声在时间上有先后；此外，在传播过程中，由于碰到界面，部分声能被吸收而由强变弱。下面把声波到达某接受点的时间和能量因素结合空间分布一起，来研究声音的增长、稳态和衰减过程。

（一）扩散声场的假定
几何声学中我们引入统计声学的概念，假定声源在连续发声时声场是完全扩散的。所谓扩散，有两层含义：
(1)声能密度在室内均匀分布，即在室内任一点上，其声能密度都相等；
(2)在室内任一点上，来自各个方向的声能强度都相同。
基于上述假定，室内内表面上不论吸声材料位于何处，效果都不会改变；同样声源与接收点不论在室内的什么位置，室内各点的声能密度也不会改变。

室内声场的分布
（二）室内声音的增长、稳态与衰减
在大多数实际的厅堂中，声源发声后，大约经过1~2S，声能密度即可接近最大值，即稳态声能密度。一个室内吸声量大、容积也大的房间，稳态前某一时间的声能密度，比一个吸声量或容积小的房间声能密度要小。还可以看出，室内总吸声量越大，衰减就越快；室容积越大，衰减越缓慢。
室内声音的增长、稳态和衰减过程可以用xxx形象地表示出来，图中实线表示室内表面反射很强的情况。此时，在声源发声后，很快就达到较高的声能密度并进人稳定状态；当声源停止发声，声音将比较慢的衰减下去。虚线与点虚线则表示室内表面的吸声量增加到不同程度时的情况。

紫竹心 · 发表于 2010-7-28 16:51:31

三、混响和混响时间计算公式
混响和混响时间是室内声学中最为重要和最基本的概念。所谓混响，是指声源停止发声后，在声场中还存在着来自各个界面的迟到的反射声形成的声音“残留”现象。这种残留现象的长短以混响时间来表征：但房间内声声场达到稳态状态后，使其停止发声，声能逐渐减少到原来声能（稳态时具有的声能）的百万分之一所经历，也就是声压级降低60dB所需的时间。一般用T60表示，单位为秒。
混响时间是目前音质设计中能定量估算的重要评价指标。它直接影响厅堂音质的效果。房间的混响长短是由它的吸音量和体积大小所决定的，体积大且吸音量小的房间，混响时间长，吸音量大且体积小的房间，混响时间就短。混响时间过短，声音发干，枯燥无味，不亲切自然；混响时间过长，会使声音含混不清；合适时声音圆润动听。混响时间的大小与频率相关，低频、中频、高频的混响时间是不一样的。一般所说的混响时间都是指平均混响时间。
假设混响声场是一个房间，那么混响声场中混响的程度，取决于声能被四周的墙壁反射、吸收的程度以及房间中的物品。举一个极端的例子，如果在理想的混响声场中打了个喷嚏，那么喷嚏声将被无限次反射，混响时间（T60）是永久持续的。但是这种理想的混响声场很难实现，因为声波会被四周的墙壁以及在声场中的物品所吸收、投射等等。一个高混响的房间，常常被形容成是活的（Live），而混响很少的房间，则被形容成死的（Dead）。
（一）混响半径（临界距离）
室内声场中直达声声能密度等于混响声声能密度的点与声源的距离，被称为混响半径或临界距离。临界距离在全频带内是不同的。回声越强的房间临界距离越近，吸音越强的房间，临界距离越远。（临界距离在全频带内是不同的）。
好的声学设计，临界距离要离声源尽可能远，结果在全频带内混响最小最平坦。直达声从扬声器系统开始递补减，是距离的函数(平方反比定律)。但混响恒定地散布房间（新的声音不断从扬声器发出，混响不断建立，直到新的声音与被吸收的声音相等，因此混响保持恒定）两曲线的交点就是临界距离。
最佳听音区一定位于临界距离内，因为临界距离是以直达声为主，清晰度和声像定位最好。
房间无吸声时的临界距离距声源很近，这种房间只适合近声场听音。
在吸声的房间中，临界距离被推向后墙，使最佳听音区变宽。上图中，附加的好处是漏到室外的声压降低了20dB，降低了对隔音的要求。
关于临界距离（混响半径）的一些特点：
1、当混响声比直达声大12db以上，声音清晰度将全部失去；
2、混响越强的房间临界距离越近，吸声越强的房间临界距离越远；
3、近声场或直达声场在临界距离内，远声场或反射声场（混响）在临界距离外。
（二）混响与回声
混响是室内声反射和声扩散共同作用的结果。同样是源于反射，但由于人耳的听闻特性，混响和回声有明显的不同。
声源的直达声和近次反射声相继到达人耳，延迟时间小于30ms时，一般人耳不能区分出来，仅能觉察到音色和响度的变化，人们感觉到混响。但当两个相继到达的声音时差超过50ms时（相当于直达声与反射声之间的声程差大于17m），人耳能分辩出来自不同方向的两个独立的声音，这时有可能出现回声。回声的感觉会妨碍音乐和语言的清晰度（可懂度），要避免。
（三）混响时间计算公式
长期以来，不少人对这一过程的定量化进行了研究，得出了适用于实际工程的混响时间计算公式。19世纪末，哈佛大学年青物理学家赛宾（W.C.Sabine）在解决学校Fogg艺术博物馆声学问题的过程中，进行了大量的吸声试验，提出了室内混响理论，奠定了现代建筑声学的理论基础。他首先从试验获得混响时间的计算公式，通常又称为赛宾公式。
根据赛宾公式可以看出，房间容积越大混响时间越长；平均吸声系数越大，混响时间越短。体积巨大的空间，如果不进行吸声处理的话，混响时间很长，造成讲话清晰度下降。其提出控制混响时间主要有两种方法：改变房间的容积和改变房间表面吸声量。尽管在设计时改变房间的体积，但调整混响时间更实用的方法是改变吸声量。
在室内总吸声量较小（吸声系数小于0.2）、混响时间较长的情况下，有赛宾的混响时间计算公式求出的数值与时间测量值相当一致，而在室内总吸声量较大、混响时间较短的情况下，计算值则与实测值不符。
在室内表面的平均吸声系数较大时，只能用伊林公式计算室内的混响时间。利用伊林公式计算混响时间时，在吸声量的计算上也应考虑两部分：
1、室内表面的吸声量；
2、观众厅内观众和座椅的吸声量（有两种计算方法：一种是观众或座椅的个数乘与单个吸声量；二是按照观众和座椅所占的面积乘与单位面积的相应吸声量）
赛宾公式和伊林公式只考虑了室内表面的吸收作用，对于频率较高的声音（一般为2000Hz以上），当房间较大时，在传播过程中，空气也将产生很大的吸收。这种吸收主要决定于空气的相对湿度，其次的温度的影响。这种考虑空气吸收的混响时间计算公式称为“伊林—努特生（Eyring-Knudsen)公式”。

紫竹心 · 发表于 2010-8-4 15:30:14

四、房间共振和共振频率

前面所述室内声音的增长、稳态和衰减过程，都是从能量的增长、平衡以及衰减予以分析的，并没有涉及声音的波动性质，没有涉及到声音的频率。但在实际情况中，室内有声源发声时，室内的声能密度就会由于声源的频率不同而有强有弱，即房间对不同的频率有不同的“响应”，房间本身也会“共振”，存在共振频率。声源的频率与房间的共振频率越接近，越易引起房间的共振，这个频率的声能密度就越强。
共振会使某些频率的声音在空间分布上很不均匀，即某些固定位置被加强，某些固定位置被减弱。所以，房间共振现象会对室内音质造成不良的影响。
（一）矩形房间的共振频率
在矩形房间的三对平行表面间也可产生共振，称为轴向共振。除了三个方向的轴向共振外，声波还可在两维空间内出现驻波，称为切向共振。此外，还会出现斜向共振。房间尺寸的选择，对共振频率有很大影响。

轴向共振

切向共振

斜向共振

（二）共振频率的简并
某些振动方式的共振频率相同时，就会出现共振频率的重叠现象，称为共振频率的简并。在出现简并的共振频率上，那些与共振频率相同的声音将被大大加强，使人们感到声音失真，称之为声染色。
想要克服共振频率的简并现象，需要选择合适的房间尺寸，比例和形状，并进行室内表面处理。一般来说，房间的形状越不规则越好。如果将房间的长、宽、高的比值选择为无理数时，则可有效地避免共振频率的简并。再者，如果将房间的墙面或顶棚处理成不规则的形状，布置声扩散构件，或合理布置吸声材料，也可减少房间共振所引起的不良影响。

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