室內聲學

室內聲學

研究室內聲波的傳播規律、聲場特性及控制室內音質的學科。屬於建築聲學的範疇。室內聲學是在研究分析某些房間的室內聲學處理中逐漸完善並建立起來的。

簡介

研究室內聲音傳播聽聞效果的學科,是建築聲學的重要組成部分。其目的是為室內音質設計提供理論依據和方法。 聲音在室內的傳播與房間的形狀、 尺寸、構造和吸聲材料布置有關;聽聞效果則反映人們的主觀感受,對不同用途的房間有不同的評價標準。

室內聲場

 

聲源空間輻射聲波時,該聲波存在的區域稱為聲場。如果聲波傳播時不受阻礙和干擾,這樣的聲場稱為自由聲場。對一個波陣面為球形的點聲源來說,聲場強度與離聲源中心距離的平方成反比,這一規律稱為反平方規律

在室內,聲源輻射的聲波傳播到界面上時,部分聲能被吸收,部分被反射。通常要經過多次反射後,聲能密度才減弱到可以被忽略的程度。當聲源連續穩定地輻射聲波時,空間各點的聲能是來自各方向聲波疊加的結果。其中未經反射、直接由聲源傳播到某點的聲波稱為直達聲;一次和多次反射聲波的疊加稱為混響聲。室內聲場由直達聲和混響聲合成,直達聲的聲能密度按反平方規律衰減,而混響聲的聲能密度可近似地認為各處相等。混響聲能的大小,除與聲源輻射功率有關外,還與空間大小和各界面的平均吸聲係數有關。

研究方法

 

在不同條件下,可分別用幾何聲學方法、統計聲學方法和波動聲學方法來研究室內聲音的傳播。
幾何聲學方法 在研究自由聲場的擴散性時,常採用聲線來描述聲音傳播的途徑。這種忽略聲的波動特性,而用聲線概念研究聲的傳播途徑的方法稱為幾何聲學方法。當室內聲音傳播到一個尺寸比聲波長度大得多的界面時,可用幾何聲學方法研究聲音的傳播規律。根據反射定律聲線的反射角等於入射角,且反射聲線和入射聲線與法線在同一平面上。因此可以利用聲線的幾何作圖法來分析直達聲和近次反射聲的分布情況。避免直達聲和第一次反射聲之間有較大的延遲時間差,避免反射聲的聚焦出現在聽眾席附近;通過靠近聲源的反射面的布置,補充短延遲的反射聲,以避免聲源前面的聲強隨距離增加而出現過大幅度的下降等。

統計聲學方法

 

忽略聲的波動特性,從能量的觀點出發,用統計學手段來描述聲場平均狀態的方法稱為統計聲學方法。一個連續發聲的聲源在室內開始發聲時,穩定聲場並不立刻建立,是隨時間逐步增長而達到穩定狀態。聲源停止發聲後,聲場也不會立刻消失,而有一隨時間逐漸衰減的過程(圖1)。

室內聲學室內聲學

用統計聲學方法研究聲能密度的平均增長過程和衰減過程可知,聲源開始發聲時,聲能密度增長過程可用下式描述:

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式中D(t)為聲能密度(焦/米3);W為聲源功率();c為聲速(米/秒);A為室內表面總吸聲量(米2);V為房間體積(米3);t為聲源發聲後經歷的時間(秒)。當時間t比室內聲學大得多時,可簡化為:

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此時聲場達到穩定狀態,聲能密度達到極大值,它的大小僅與室內表面的總吸聲量和聲源功率有關。
聲源停止發聲後聲能密度的衰減過程可以用下式描述:

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此式表明,室內總吸聲量越大,衰減就越快;房間體積越大,衰減越慢。聲源停止發聲後,聲音還會在室內延續的現象稱為混響,其衰減過程為混響過程。度量混響過程的量為混響時間T60(秒),定義為初始聲壓級下降60分貝所需的時間,其關係式為:

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式中V為房間體積(米3);S為總表面積(米2);峞為平均吸聲係數室內聲學;m為空氣的衰減係數。此外,混響理論的創始人W.C.賽賓也曾提出混響時間的計算公式:室內聲學,被稱為賽賓公式,僅適用於室內平均吸聲係數小於0.2的場合。

波動聲學方法

當室內界面的幾何尺寸與聲波波長可比時,聲的波動特性突出了。用波動理論研究室內駐波共振影響的方法稱為波動聲學方法。根據波動聲學原理,當一對平行牆面間的距離l等於聲波半波長λ/2的整數倍n時在這尺度方向上會產生駐波,即聲波傳播的壓縮和稀疏“圖案”在空間有著固定的位置,或者說室內空氣振動出現共振。當人沿著駐波方向從一端走向另一端時,會感到聲強有忽高忽低的變化,高低相差最多可達20分貝左右。這些能產生駐波的頻率稱為簡正振動頻率或稱簡正頻率。其結果使聲場極不均勻,而且會使聲源中符合上述情況的若干頻率成分得到過分增強,也比別的頻率衰減得更慢些,因此就會造成嚴重失真。

對於一個長、寬和高分別為 lx、ly和lz的平行六面體房間,其簡正頻率fr(赫)可由下式計算:

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式中nx、ny和nz為正整數或零,分別代表某種振動方式,這些簡正頻率又可分為三類:①軸向簡正頻率;②切向簡正頻率;③斜向簡正頻率。從0到fr的頻率範圍內可能出現的簡正振動數N:

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式中V=lxlylz為室內容積;S=2(lxly+lylz+lzlx)為室內總面積;L=4(lx+ly+lz)為室內總邊長。
在容積小的房間內,低頻範圍的共振頻率較少,頻率的分布不均勻。如果lx、ly、lz的比例選擇適當,不使共振頻率簡併,則分布可有所改善;一般採用1∶21/3∶41/3的調和級數的比例。圖2所示為某些頻率範圍,峰頂括弧內的數字即公式中的nx、ny、nz,因振動方式簡併而堆積在一起,造成室內的頻率回響範圍起伏很大。對於大房間和高頻範圍,由於簡正頻率較多,共振峰相互交疊,其效果可按統計聲學方法來處理。
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聽聞效果 聲音的強弱、音調的高低和音色的好壞是聲音的基本特徵。由於人只能分辨出時間間隔大於50毫秒的兩個聲音,因此在50毫秒內的近次反射聲具有加強直達聲的效果,這對於改善聲場的擴散性,提高信噪比都有利。同時應儘量避免顫動回聲和聲聚焦的現象(見音質缺陷)。界面上吸聲材料的頻率回響曲線不可能是直線,在選擇和布置吸聲材料時要充分考慮這一情況,否則會造成頻率失真。音色的豐滿度親切感直接與混響時間相關,混響時間過短,會感到乾澀;而混響時間過長,又影響聲音的清晰度。因此,在音質設計中應根據房間的具體使用要求,做到充分地利用直達聲,合理地分布近次反射聲,正確地控制混響聲。
參考書目
 H.庫特魯夫著,沈譯:《室內聲學》中國建築工業出版社北京,1982。(H.Kuttruff,Room Acoustics,2nd ed.,Applied Science Publ.Ltd.,London,1979.)

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