主题：室内声学介绍

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1.1     混响时间

1.1.1 混响现象

混响是室内的声学现象。声音由声源发出后，在空气中传播，传播过程中在房间的界面上产生反射、吸收、扩散、透射、干涉和衍射等波动作用，形成复杂的室内声场，使人产生混响感。声源停止发声后，室内声场会持续一段时间。室内声学设计的关键之一是控制混响。

1.1.2  声反射

图1－1

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。

回声

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良好听闻，根据几何声学的理论，将声音抽象为声线，则声线的传播遵守反射定律。如同几何光学中的虚像一样，反射会产生虚声像，实际上每次反射都会产生一个虚声像。如上图1－1所示：当原始声源发散的圆形波阵面到达两墙时，我们在两边都会获得声像。并且有相应的以声像S_a和S_b为圆心的反射波阵面，如图1-1中上图所示。这个过程再重复，将会得到两串无限多的声像，如图1-1中下图所示。可以想象，如果直达声和各个反射声之间的声程超出17m时，就会出现一系列的回声。

以矩形房间的平面为模型，考察一个脉冲圆形波阵面在这个房间中发生高阶反射时的情

图1-2

况。如图1－2，它图解了出现六阶反射以前、等时间间隔的八个瞬间。

在开始两幅图中，可以看到直达声的波阵面，在这期间，声强在室内的因扩散逐点变化很大。其次几副图表示从高阶声像和更远距离连续到达的波阵面。当越来越多的高阶波阵面到达时，它们淹没了少数低阶波阵面。因为它们都来自远大于房间尺度，因此有助于增加强度并且均匀地充满房间。我们称这种现象为声能均匀分布。波阵面的曲率半径也随着反射阶次的增高而增大，所以，声波越来越近似于平面波。在这个阶段，原始声源和它的“直达声”对总声能的贡献可以忽略，总声能大部分是许多分离的高阶声像所贡献。其结果是在原始房间内有非常均匀的声能分布。

虽然上述的分析是基于较为简单的矩形房间，但是由此，还是可以解释房间内脉冲响应的图像（回声图）。如下图1－3

 

图中可见，无论在房间的界面上采用何种吸声材料，前期响应的声压级相对变化较突然，而后期的响应声压级相对平稳。

1.1.3  几何声学与波动声学

“几何声学”忽略声音的波动属性，仅以几何方法分析声音能量的传播、反射、扩散，几何方法的局限性是研究的波长要远小于房间界面尺寸。与此相对，着眼于声音波动性的分析方法是“波动声学”或“物理声学”。波动声学的数学工具相对较复杂，用于分析复杂的室内形体有很大的困难。

1.1.4  室内声场

室内声场的显著特点是：

1） 距声源有一定距离的接收点上，声能密度比在自由场中要大，不随距离的平方衰减。这是反射声的加强所引起的。

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延迟的反射声，即所谓“混响现象”。

赛宾发现的混响计算公式是基于扩散声场的。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。

在1.2中，我们通过矩形房间的脉冲的高阶反射波阵面分析了声音自声源发出之后所发生的均匀化的倾向。实际上，在房间声扩散较理想的情况下，声源持续激发，房间内的实际声场在一定程度上接近理想扩散声场。基于理想的扩散声场的假设，可以加入统计声学的概念。

在大多数实际的厅堂中，声源发声后，大约经过若干秒以后，声能密度即可接近最大值（稳态声能密度）。声源停止发声后，室内总吸声量越大，混响声衰减就越快；室内容积越大，混响声衰减越缓慢。

室内声音的增长、稳态和衰减过程可以用下图（图1－4）形象地表示：

上图纵坐标是声能密度，衰减曲线呈负指数曲线；如果纵坐标以分贝（dB）标度，则衰减曲线就呈直线，如下图（图1－5）：

1-5－－

 

 

厅堂混响时间的测量中的“噪声切断法(interrupted noise method)”的理论根据正是上述衰减过程。

1.1.5 混响时间

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。混响时间的定义是：室内声场受到激发达到稳态后，声源突然停止，声能密度将线性衰减，衰减60dB所需的时间是混响时间RT，单位是秒。

混响时间是音乐建筑，乃至所有厅堂建筑在声学设计当中最重要的指标，也是唯一没有争议的定量指标。自从1900年塞宾（Sabein）提出著名的混响时间计算公式以来，至今有一个多世纪，一直是主宰声学设计和音质评价的最重要依据。

当我们谈论建筑声学设计时，往往首先谈到混响时间，将其视为把握设计对象声学性能的要点。特别在我国，目前混响时间基本上还是声学性能指标中唯一普遍进行量化估算和测量的量。

依林－努特生（Eyring-Knudsen）公式

上述混响理论以及由此导出的混响时间计算公式，将复杂的室内声场处理得十分简单。其前提条件是：1）声场是一个完整得空间；2）声场是完全扩散的。由此，衰减曲线可用一个指数曲线描述。用dB尺度则衰减曲线是一条直线。但在实际的声场中，经常不能完全满足上述假定，衰减曲线也不完全是直线，混响时间难于以一个单值表示。例如在室内地面和天花板是强吸声的、侧墙为强反射的情况下，上下方向的声波很快衰减，水平方向的反射声则衰减较慢，混响曲线出现曲折。类似的情况也可以在细长的隧洞、走廊及天花很低的大房间中出现。此外，在剧场中，观众厅与舞台成一个互相连通的耦合空间，如果声能在两个空间衰减率不同，衰减曲线会出现折线。

在剧场、礼堂的观众厅中，观众席上的吸收一般要比墙面、天花大得多，有时为了消除回声，常常在后墙上做强吸声处理，室内吸声很不均匀，所以声场常常不是充分扩散声场。这是混响时间的计算值与实际值产生偏差的原因之一。

另外，带入公式的数值，主要是各种材料的吸声系数，由于实验室与现场条件不同，吸声系数也存在误差。最突出的是观众厅吊顶，在实验室中是无法测定的，因为它的面积很大，后面空腔一般为3~5米，实际上是一种大面积、大空腔的共振吸声结构，在现场也很难测出它的吸声系数。因为观众或座椅以及舞台的影响，存在未知数；同样，观众与座椅的吸收值也可能是不精确的。

如上面所述，混响时间的计算与实际测量结果有一定的误差，但并不能以此否定其存在的价值，因为这是我们分析声场最为简便也较为可靠的方法。

由此我们也可以看出，厅堂混响时间的现场测量也有其不可替代的重要性。现场测量可以发现设计计算和实际情况的偏差，由此对厅堂音质设计进行调整；同时，我们也可以从测量中发现实际情况中的特殊规律，很多时候，这是设计计算时无法得到的；另外，厅堂声学性质的其他参数，比如EDT，IACC等等，是无法通过计算简单地得出的，必须要进行专门的测量，而这些参数对于我们考察厅堂的声学性能也是有很大帮助的。

1.2 可供参考的其他声学指标

室内音质设计的目标是使厅堂的使用者（不论是演员还是观众）都对音质感到满意。但是，当我们讲到房间具有良好音质时，它究竟指的是什么？

这些是心理声学所研究的问题。一些源于统计和对主客观之间关系进行的观察产生了一些有一定重要性的指标。对它们的争议相对是比较小的。

响度：到达中频声能的强度

混响：混响时间，RT60

早期衰变时间： EDT

明晰度：早期反射声能与后到混响声能之比，C₈₀

空间感：双耳听觉互相关系数，IACC_E(arly)

到达低频声能的强度 G_low

侧向声能百分数，空场 LF _E(arly)

环绕感：双耳听觉互相关系数，后到，空场  IACC_L(late)

 

在ISO3382：1997（E）中提到了一些建议参考的声学指标。

混响时间是描述厅堂音质的基础指标，同时一些新参数可以更全面地描述厅堂音质。这些可以由脉冲响应积分直接得到的参数具有重要的主观感受特性。当听众进入厅堂后，会影响房间的混响时间以及如下列出的音质参数。

共有四组类型的参数，每组参数都需要若干测量才能获得，但人们发现这些参数的性质有着非常强烈的相关性。因此。每组参数包含了大致相同的测量内容，从而没有必要将数值全部计算出来，每组参数只需要计算一个数值。

强度因子

强度因子G的测量是通过经过校准的声源产生的脉冲响应值（声压平方积分值）除以同样的声源在自由场中10米处的脉冲响应值的自然对数的10倍的值。

  有，

  且

这里，p(t)是脉冲声源在测量点处产生的瞬时声压，p₁₀(t) 是自由场中脉冲声源在10米远处产生的瞬时声压，p 为20 Pa and T₀ 为1秒， 、 分别是 p(t)和 p (t)的声压级。另外，直达声到达的时刻是t=0， 对应的时刻是声压级衰减了30dB以后。这种测量需要使用全消声室，直接测量脉冲声源10米的声压可以获得 。如果10米的测量条件不能满足，可以测量距离声源d( 3m)处的声压级 并使用如下公式求得 。

= +20log(d/10)dB

在自由场中进行这样的测量的时候，需要在以声源为圆心的圆周上每12.5°测量一次并进行声压级的能量平均来平均声源指向型的影响。

注：作为一种替代方法，可以使用混响室通过以下公式（[1][2]）对参考声压级 进行测量：

= +10log(A/S )dB-37dB

这里，

是混响室内空间平均后的声压级；

A是等效吸声面积，单位为平方米；

So=1 m²；

A可以通过测量混响时间使用赛宾公式求得：

    A=0.161V/T

    这里，

    V是混响室体积，单位为立方米；

    T是混响时间，单位是秒。

注：G的另外一种测量方法是使用稳定连续无指向性声源按如下公式进行测量：

G=

这里，

是被测房间测点处的声压级；

是自由场中距声源10米处的声压级。

进行测量时，如果有大的消声室供使用， 可以在距声源10米处直接测量获得。如果10米的测量条件不能满足, 可以测量距离声源d( 3m)处的声压级 并使用如下公式求得 :

= +20log(d/10)dB

在这种测量条件下，需要按照前面提到的方法进行指向型平均。如果使用的无指向声源的声功率是已知的，G可以使用如下公式求得：

G= +31dB

这里，

是各个测点的声压级；

是声源的声功率；

声功率的测量应遵循ISO3741标准进行。

 

早期衰减时间

早期衰减时间EDT和传统的混响时间T都可以由脉冲积分的频带衰减斜线的测量中获得。 衰减斜线是由衰减曲线中适宜的部分进行线性回归分析得到的。EDT是通过衰减斜线最初的10dB推算到衰减60dB求得的，混响时间T是从最大值衰减到－5dB与－35dB之间的部分斜线（或－5dB与－25dB，见6.2）推算到衰减60dB求得的。

计算时，EDT和T应该同时给出，EDT对于人们的主观混响感更重要，而T是厅堂的一个客观物理指标。

 

早期与后期到达能量之间的平衡

    虽然在这一组参数中有多个指标，最简单的表示是早期与后期到达的声能比。可以使用50ms或80ms来计算早期到达声能，使用50ms主要是为了衡量语言用厅堂，使用80ms主要是为了衡量音乐用厅堂。

dB

这里，

是声能比指数；

是早期时间，为50ms或80ms，（ 被成为清晰度）。

注：也可以测量早期声能与全部声能的比值，如 （明晰度）常在语言用厅堂中使用。

它与C₅₀有精确的关系，为：

dB

因此，没有必要同时测量这两个值。

作为这组参数中可选的一个指标是时间重心 ，它是在时间上脉冲响应声压平方的重心，单位是秒：

可以避免划分脉冲响应早期和后期的不对称性。

这一组里的指标与清晰、明晰的感觉及清晰与混响的平衡感、语言可懂度有关。

早期侧向声能

LF，前80ms由侧面到达这一部分声能，可以通过无指向话筒和8字型话筒测量的脉冲响应获得：

这里，

是由8字型话筒测量的厅堂中的即时声压。

将8字型话筒没有接收器的一面指向声源的平均位置或单个声源的位置，这样进入话筒的声音大部分来自受直达声的影响很小的侧向声。

因为8字型话筒的指向性基本是余弦形式的，声压又是平方的，因此某单个反射声对侧向声能的贡献是由与话筒最大灵敏度轴线入射夹角的余弦的平方决定的。作为近似地获得侧向声能的另一种方案LFC，它是由入射角正弦决定的，人们认为应用起来会更准确。

侧向声能与人们对声源宽广度的感知相关。

 

上面所提到的这些供参考的声学指标，大都需要利用脉冲响应曲线经过积分得到。但是目前国内对脉冲响应积分法的使用还不是非常普遍，欠缺实践经验。