混响与扩声

zgycgc · 发表于 2017-5-24 22:02:56

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混响与扩声
● 近代声学国家重点实验室南京大学声学研究
所教授赵其昌
混响是指室内的声源发声停止后，在室内的声音经过多次反射或散射而延续的现象。它反映了室内声能的衰变，这衰变与室内的吸声，反射和散射等有关。100多年前，美国物理学教授W.C.赛宾首先提出了用声能衰减60dB所需时间，即混响时间来衡量厅堂的音质，并提供了计算室内混响的经验公式。经过后来的科学家研究，从扩散声场中声能密度随时间的衰减出发，在理论上推导出混响时间的表达式，发现赛宾提出的公式正是平均吸声系数ā<0.2时理论公式的近似。从而，使我们对赛宾公式有了进一步的认识。尽管100多年来，科学工作者提出了很多影响厅堂音质的声学参量[1]，但是，至今混响时间仍然是厅堂声学设计中惟一能定量计算的参量，也是一个公认的最成熟的厅堂音质的评价量。它是建筑声学的一个重要的物理量，它反映了室内声能随时间的衰减，以及不同频率的声能的衰减特性。尽管一个厅堂内不同位置测得的混响时间可能有差异，可是世界著名的音乐厅内的混响时间的空间标准偏差都很小，几乎不大于0.1s[2]。在不同位置的混响时间几乎差不多，说明厅堂内的声场很均匀。所以混响时间是一个很好的厅堂声学设计的评价量，它应该与测量用的声源无关，这在有关标准中有明确的规定[3]。然而，随着时代的发展、厅堂的扩大、观众人数的增多和电子技术的进步，厅堂内不可避免的需要用扩声系统。扩声与混响有什么关系呢？它对音质有没有影响？这正是我们要讨论的问题。
首先，扩声系统主要的功能是放大从声信号转变来的电信号或重放已录制的节目信号，把电信号通过扬声器转变成声信号辐射出去，所以它没有混响时间，但是，并不是说它与混响无关。我们都有这样的经验，在一个混响时间很长的房间内交谈，如果两人的距离较远，大声讲话反而听不清楚，两人靠近，讲话轻一点就可能听懂，这是因为两人靠近，直达声加强了，尽管房间的混响没有变。这说明在混响很长的地方可以通过增加直达声来提高语言的可懂度。有一个例子，在西欧的教堂中庄严、肃穆，牧师讲经声音洪亮，往往由于教堂内吸声不足，而混响时间很长，在大教堂的后座听不清楚。电声工作者在教堂内柱子的侧面安装了由小扬声器组成的声柱，朝向听众，起到了很好的效果（笔者曾亲身聆听过）。从声学角度看，采用小声柱增加了扬声器系统的指向性，改善了覆盖区域，增强了直达声。从传输频率范围看，采用小扬声器辐射的频率范围比较窄，没有低频辐射，不会激发低频混响，但是对于语言传输已经满足了要求。从辐射功率来看，小扬声器的辐射功率比较小，很快衰减不足以激发室内的混响。扬长避短，克服了长混响对语言的干扰。
在厅堂内增加直达声的强度可以减小厅内混响的影响。从声源发出的声音到达听众席的声能由两部分组成，一部分是直达声能，一部分是混响声能，它们的衰减特性（见图1）。
在混响声能为主的区域，当声源停止发声，则声能按照曲线AB衰减，衰减60dB所需的时间即为厅堂内的混响时间。在直达声为主的区域，当声源停止发声时，直达声能迅速降低，然后，以剩下的混响声能按同样的衰变率下降，如曲线CD。根据入耳的积分效应，在直达声为主的区域，感觉到的混响效果应满足△OEM和△ODC面积相等的条件。假设OB为衰减60dB所需的时间T60，则OE称为有效混响时间。显然,OE < OB，直达声为主的区域内的有效混响时间一般比厅堂内的T60要短。但是，主观感觉上的差异还是有一定条件的，我们可以从理论上推导出：
Teff=T60·（1- lg ）（1）

zgycgc · 发表于 2017-5-24 22:03:13

式中，R为声能比，R=混响声能密度/直达声能密度；
T60为厅堂内的混响时间；
Teff为主观感觉的有效混响时间。
图2为Teff/T60与声能比R的关系曲线。听众感到的有效混响时间仅在R<1的区域才与T60有比较明显的差别，当R>1时有效混响时间的变化只有10%，实践证明人耳是不能觉察到的。要求降低R值，必须增加直达声能和降低混响声能，前者可以通过加强扬声器系统的指向性Q值来达到，后者则必须通过增加厅堂内的吸声处理方能减小混响声能的密度。

厅堂内直达声的覆盖直接影响到声源的有效作用距离。在室内，靠近声源的区域以直达声为主，随着离开声源的距离增加，直达声能减小，混响声能增加，当混响声能等于直达声能处离开声源的距离称为临界距离。它与厅堂声学参量，以及扬声器的指向性的关系如下：
式中，V为室内容积；
Q为声源的指向性因子；
T60厅室内混响时间。
在室内为了保证语言传输的清晰度，一般选择扬声器系统的最大作用距离rmax=(2～3)Dc作为声源的有效作用距离。从(2)式中可以看出在混响时间和容积一定的厅堂内，增强扬声器系统的Q值，有利于扩大直达声的覆盖区和增加临界距离，提高声源的有效作用范围。
如果厅堂的混响时间比较短，例如，多功能厅的声学设计，为了适应厅内各种活动的需要，一般将混响时间设计得都比较短。在这种情况，我们可以通过信号处理的方法，增加被传输信号的混响时间来改善音质，避免因厅堂的混响时间太短而引起的声音发干和单薄的感觉。
当扩声系统重放节目信号时，听音人感受到的混响由二部分构成:一是因为录制的环境或节目需要加进去的混响（假设混响时间为T1），由节目制作者选择和调节的获得最佳效果；另一部分是重放空间的混响时间（假设为T2）。听音人感受到的混响时间为[4]:
T60′=（T13+T23）（3）
因此，只有T2比较短，以T1为主方可体现出节目本身的混响特色。所以，节目审听室的混响时间一般都设计得比较短，以保证放音效果。
最后要说明的是扩声系统无法补偿厅堂声学设计中出现的声缺陷。例如，厅堂内有相互平行的大墙面，如果在厅内发一脉冲声，则在两墙面之间会明显地听到多次颤动回声，如果厅内有凹形反射面，则在某一区域会形成声聚焦，导致该区域声音听不清楚。这些声学上的缺陷无法用扩声系统来消除，只有用声学的方法去补救。例如，在平面墙面增加吸声或挂大的画面，破坏来回反射的条件或增加扩散体等。
总之，在音乐厅和大剧院一类的厅堂中必须以建筑声学设计为主，通过建筑设计保证在场内有合理的自然混响，良好的扩散、均匀的传输特性，是决定音质的先天条件，再加上高质量的电声系统以弥补自然声的不足，扩声与混响两者相辅相成，以自然声为主，方能保证观众席有优良的音质。

zgycgc · 发表于 2017-5-24 23:36:15

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