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发表于 2021-1-16
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三、混响和混响时间计算公式
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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。, c3 J: \5 Z' l1 `3 c' D
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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。
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, r' P1 f+ H, T: R0 C7 ~3 ?% D% Q8 [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）。
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' Q9 x8 x) j+ @$ ^1 {/ z（一）混响半径（临界距离）& Q6 o9 D; ?, q9 W! |
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/ U6 t* e, K0 @ y, ]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）。
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. U4 f F, @/ a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。 W% S3 \; Y- u/ O5 N* y
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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。
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' r/ p. z; ?4 V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。
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: d/ r/ G6 I6 a$ q% u( B2 V( ^. O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。- z# P) }) A2 f1 z7 W6 T
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% b8 r8 G% @2 q- S6 z3 d, S关于临界距离（混响半径）的一些特点： Y" O5 M9 i, L* l' A
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1、当混响声比直达声大12db以上，声音清晰度将全部失去；
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+ Q6 x% A0 d- c C& m2、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；$ K5 ~5 y( k. `1 [
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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。) h5 U3 i# S' `6 I; ~ d
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（二）混响与回声
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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。* ]* T& s1 u/ B
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6 u: b& ]$ `% U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。
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- k# Z5 Z: C/ ?（三）混响时间计算公式
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) a1 T+ j1 o1 D4 y6 L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。3 N# @8 d3 l1 I2 Z) ]
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( q, e( z3 g+ P; r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。# L$ Y# k- U3 ^+ }9 v# o2 l
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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。, i. G! F8 F, x Z
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$ k0 Y# E5 D( R. f1 R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：
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1、室内表面的吸声量；
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9 t# b. A5 W! y2、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）. K1 d1 v% C& u# q
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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”。
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F% H! G3 n) A2 \7 G& ~8 X% D8 ]. [9 M# M
0 b) }8 \4 d6 r2 P0 e四、房间共振和共振频率
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9 Z7 J* \' Q8 P' Y+ z4 t5 q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。& R- M( ^3 |# D. ]9 O) B# G6 D5 t
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. H9 b+ v# Y8 a; c1 `% _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。, h5 b8 p: e0 |- p: P! y6 @
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（一）矩形房间的共振频率- Q" r2 S6 v1 m3 N0 E2 E
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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。
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轴向共振
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, |5 O6 ?; t5 v0 Z$ w& `切向共振
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斜向共振, h" h+ w: ^; Q7 _. M, ^1 A8 l* [
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2 u. L$ ~! B0 G（二）共振频率的简并
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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。* \7 \8 c- G. ]
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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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结语：室内声学原理来源于物理声学，同时又与材料学、心理学、建筑学等相互交融，形成具有独特研究领域，以人和听音环境为核心，侧重于解决厅堂音质和噪声控制的科学分支。掌握这些重要的声学知识，能够更好地夯实影音行业、私家定制安装等领域从业人员的技术实力，从而更好地服务于消费者。 |
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发表于 2021-1-16
