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房間的聲學特性
文章來源:管理員 發布時間:2013-07-15
一、房間的聲學特性

聲源在室內發聲時,聲音的傳播受到封閉界面的限制,由于各表面的反復反射,出現了復雜的干涉現象,使得室內聲場完全不同于室外的情況。聲場的干涉現象對室內的聽音條件影響很大,歸納起來,房間對室內聲場的影響主要有:

1、引起反射聲。
2、改變語言和音樂的瞬態特性。
3、增加了聲能密度。
4、改變了聲能在空間的分布。
5、由于吸收和共振引起頻響的不均勻。

二、室內的聲學過程

當聲音在空間某一點產生時,就會在它的周圍引起一系列聲波,它們以聲源為中心,呈球形層層向外自由傳播,當它們碰到墻面、地板等障礙物時,一部分聲能被吸收,另一部分聲能被反射,反射的聲波又以新的傳播方向繼續傳播,直到下次再碰到障礙物時,又產生新的吸收和反射。如圖 所示。聲波在室內的多次反射和不斷衰減是一個非常復雜的聲學過程,這一過程對房間的音質有重大的影響。因此,我們在室內講話時,聽者總是先聽到來自聲源的直達聲,然后又聽到來自墻壁等處的反射聲。也就是說,室內聲場可以看作是直達聲和各種反射聲的疊加?傊,室內總聲壓級與單純取決于離聲源距離關系的自由聲場不同。在靠近聲源處,總聲壓級以直達聲為主,混響聲(即反射聲的總和)可以忽略,此時聲壓的大小與距離的倒數成正比,即距離每增加一倍聲壓級要下降6分貝。在遠離聲源處,總聲壓級則以混響為主,而直達聲可以忽略,此時總聲壓級與距離聲源的距離無關,即隨著距離的增加聲壓并不減小。

三、室內混響

從上節的室內聲學過程可知,聲波在室內各個方向來回反射,而又逐漸衰減,這一現象通常被稱為室內混響。衡量室內混響最有效的參數是混響時間。從聲源停止發聲的時刻算起,聲壓級降低60分貝所需的時間,就稱為混響時間,常用符號T60來表示,單位是秒。這里要強調一下,通常所說的混響時間并不是指我們在室內實際能聽到的聲音延續時間。

假如沒有墻壁和空氣的吸收,在室內激發聲波后,聲音就會一直延續下去,直到永遠。聲音之所以不能在室內長時間延續下去,就是因為各種反射面和空氣都能吸收聲波。研究表明,各種反射面對聲波的吸收要比空氣的吸收強烈得多,即室內聲吸收主要發生在各種反射面上。在大房間中,聲音每兩次反射之間所經過的平均路程較大,經過相同次數反射所用時間要比小房間多,于是延續時間也較長,混響時間自然也就長一些;另外,如果房間各壁面的吸聲系數大,每次反射時聲音會降低(吸收或衰減)得多一些,所以聲音延續的時間也就短一些。

實驗表明,房間混響時間的長短可以用下面的簡化公式來估算:
T60 = 0.161V / āS + 4MV
式中:T60表示房間的混響時間,單位是秒(S)。
V是房間容積,單位是立方米(M3)。
S是房間的內部總表面積,單位是平方米(M2)。
ā是室內平均吸聲系數。
M是聲能衰減常數,對1千赫聲音室內常溫下約為 0.0015m -1。

從公式中可以看出:混響時間與房間的大小成正比,和室內總吸聲量成反比,即房間越大,混響時間越長,室內吸聲量越大,混響時間越短。例如,在不加任何吸聲處理和情況下,一間100立方米的普通住房,混響時間約為0.7秒;而一個容積達3萬立方米的廳堂,混響能達幾秒。

前面說過,混響作用對室內音質有較然而的影響。一般說來,如果混響效果太弱,聲音就會變得沉悶枯燥;如果混響效果太強,則會使聲音變得含糊不清;只有合適的混響效果才能保證聲音豐滿而清晰。事實上,最佳的混響時間不僅與房間的大小有關,而且還與房間的用途有關。通常小房間的的最佳混響時間在1秒左右,而大廳的最佳混響時間可以達到2 ~ 3秒。圖 給出了各種不同用途廳堂的中頻最佳混響時間(其中曲線1 ~ 5分別對應于管弦樂、音樂(平均值)、輕音樂、語言(平均值)和電影,以供參考。

還有一點需要說明一下,就是高頻聲在空氣中的衰減速度要比低頻聲快得多,所以混響聲中高頻成份會隨著時間的延長而急劇減小。因此,高頻聲的混響要比低頻聲的混響短得多。

近年來,人工混響技術有了很大的進展,特別是數字混響器的出現,使人們可以根據不同的節目內容選擇佳的混響時間和最佳的混響效果,即使在小型卡拉OK廳中也能重放出類似于音樂廳、教堂或山谷等地的音響效果,而且操作十分簡單。

四、早期反射聲

在室內,聽眾總首先接收到從講話者(聲源)直接傳來的聲音,即先聽到所謂的直達聲。從這一點上來講,室內和室外的情況基本是一樣的,但是在室內聽眾還將陸續接收到從墻壁、天花板、地面等處反射回來的聲音(反射聲)。其中來的比較早的,也就是反射次數較少的一部分聲音反射聲(通常是在直達聲到達后50米/秒之內到達的反射聲),我們稱之為早期反射聲或前期反射聲。這一部分反射聲人耳不但不能把它們同直達聲區分開來,而且還把它們當作是直達聲的一部分,即在聽覺上增加了直達聲的響度,展寬了直達聲的聲像,同時還提高了直達聲的清晰度。在這以后到來的許許多多的反射聲(細密的反射聲),在聽覺造成一種“余音不絕”的感覺,這就是我們在上一節中介紹的混響聲,它們對直達聲的響度沒有貢獻,只能增加它的豐滿度。圖給出了在一個房間發出一個脈沖聲后反射聲的總體情況,從圖中可以看出,我們首先聽到的是直達聲,其次是早期反射聲,再其次是越來越密的混響聲。

早期反射聲和混響聲一樣,對語言的清晰度有著重大的影響,所不同的是它可以提高清晰度,而混響聲則是降低清晰度。實踐證明,直達聲(包括早期反射聲)和混響聲的比值對清晰度的影響非常重要,也就是辯,在同樣的條件下,如果加強直達聲(包括早期反射聲)提高它和混響聲的比值可以改進清晰度;反之,清晰度就要下降。這個比值被稱之為“聲能比”,即:聲能比=(直達聲能+早期反射聲能)/ 混響聲能

上節講過,適度的混響聲使人感覺到熱情而豐滿,而適度的早期反射聲,則使聲音聽起來親切而又清晰。除此之外,早期反射聲還有一個重要的作用,那就是它還能暗示聽眾房間有多大,而混響聲則沒有這種功能。

最后還應指出,如果到達聽眾的直達聲與第一次反射聲之間,或者相繼到達的兩個反射聲之間,在時間上相差50米/秒以上,而且反射聲的強度又足夠大,使聽眾能明顯分辨出是兩個聲音的存在,那么這種延遲的反射聲就稱為回聲(ECHO);芈暿锹暦瓷渲械囊粋特殊現象,它對語言的清晰度帶來嚴重的干擾,在卡拉OK廳的設計中必須設法消除。有時在一些卡拉OK機上也把混響效果稱為“ECHO”,其實這只是一種特殊的混響效果,即延時加混響,它特別適合于卡拉OK的演唱,與我們通常所說的回聲現象并不是一回事,千萬不要混淆。

在通常情況下,回聲的出現與下列條件有關:
1、小房間內不容易出現回聲,因為反射聲和直達聲之間的時差不會大到足以引起回聲。
2、混響時間長的房間內不容易出現回聲,因為強的混響聲把“湮沒”了。
3、體積大且混響時間短的房間容易產生回聲。
4、 在離聲源(講話或揚聲器)近的位置上要比遠的位置上容易出現回聲。

五、房間的簡正方式

在室內,聲波可以在任何兩個墻面之間傳播,也可以圍繞房間傳播。如果角度選擇恰當,經過多次反射后可以形成駐波,每一個駐波就是房間的一個簡正振動方式,簡正振動方式的頻率稱為簡正頻率。因此當房間中聲源的激發頻率與房間中某一固定頻率(簡正頻率)一致時就產生共振,所以簡正頻率分布密集且均勻就表示房間的傳輸頻率特性均勻,否則就表示頻率特性不均勻。

房間的簡正頻率主要決定于房間的幾何尺寸,例如,對于邊長為L,W,H的剛性墻矩形房間,第N個簡正振動的頻率為: 式中,FN表示第N個簡正振動方式的簡正頻率,單位HZ(赫);C表示聲速單位米(M)M/S;NX,NY,NZ中可以分別選擇的正整數;LX,LY,LZ是房間的三個邊長。

從上式可以看出,如果房間的長寬高中有兩邊相等,則房間內的很多簡正振動方式就會成對的具有相同的簡正頻率(即出現所謂的“簡并化”,也就是說,不同的簡正波具有相同的簡正頻率)。由于簡并化,結果是很可能在某一頻率范圍內卻沒有簡正頻率;而在另一頻率范圍內卻有較多的簡正頻率,造成簡正頻率分布不均勻,從而導致房間頻率特性的不均勻。由此可見,為了保證簡正頻率分布最均勻,房間的長寬高比例必須滿足一定的條件,例如:取三邊長度之比為: H :W :L =即比例應為一無理數。一般選用2∶3∶5,當然其它的比例也是可以的,例如1∶1.25∶1.6或1∶1.6∶2.5等。但跟上述比例相關較大時,就必須防止可能產生的音質缺陷,即引起“聲染色”。所謂的聲染色是指信號的頻率與房間自身的諧振頻率相等時,由于共振而大幅度的增強起來,從而偏離了原來的音色。除了合理設計房間的長度比外,安裝各種凸面的擴散體,也能避免因反射而形成的駐波。

五、傳輸響應

房間可以看作是有一定頻率特性的傳聲通路。聲音在房間內傳播時,一方面由于共振使得其中的某些頻率(等于房間的簡正頻率)的聲音得到放大;另一方面由于室內各種不同的吸聲體對不同頻率的聲音有不同的吸聲量(比如木柵地板易吸收低頻聲,而布帷幕則易吸收高頻聲),所以聲音在室內傳輸時頻響并不均勻,如圖 所示。為了保證聲音在室內傳輸的均勻性,我們經常需要用房間均衡器對其校正。

六、與房間形狀有關的特殊聲學現象

回聲在室內由各墻壁反射而使到達聽者的反射聲波所經過的路程大于直達聲,如果反射聲與直達聲的路程差大于17米,即相當于延遲50毫秒,滯后的反射聲就可能形成回聲,回聲的主觀感受決定于時間差和強度差,減小路程差或衰減反射聲就可以減弱回聲的感覺。

聲聚集如果室內存在凹面,則由于凹面聚集將使聲能集中到焦點上,從而使室內聲場分布不均勻。因此,在卡拉OK廳中要盡量避免大面積的凹面。

回音壁也是與凹面反射密切相關的一種聲學現象,是指聲音沿著一個大的凹面爬行,尤以高頻聲為甚。北京天壇的回音壁就有這種聲學現象的典型代表。向著這種凹面低語,在遠處仍然可以聽得清楚。

死點由于凹面聚集的影響,房間聲能集中在焦點附近,而室內其它各處反射聲嚴重不足。聲能不足的區域有時被稱為死點。另一類死點是由于聲波干涉引起的,但這種干涉現象一般對房間的音質危害不大。顫動回聲 一般發生在室內一對平行(相對)壁面之間。一個單獨的脈沖聲,將在相對墻壁間來回反射,產生多次脈沖回聲。如果這些壁面之間的距離很大,那么顫動是很慢的。例如:拍一下掌,除了清脆的拍掌聲外,還可以聽到一連串逐漸減小的“撲、撲”聲,直到逐漸消逝。

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