谈谈自由声场和扩散声场及其应用

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在我们生活之中，很多地方都会有飞机的轰鸣声或高速公路持续的车流声。无论城市也好，郊区也罢，甚至在森林和牧场，也充斥着现代世界的声音，我们可能从未置身于真正安静的环境下。





最“安静”的地方



“声音无处不在，这是我们的常识”，《为什么你听到你所听到的》一书的作者Eric Heller说：“即便是一个安静的房间，也存在一定大小分贝的声音”。0dB常被人们认为是人耳能听到的最小声音分贝值，窃窃私语声大小约为30dB，繁忙高速公路上的车流声大小为80dB。



而位于雷德蒙德园区的87号楼微软实验室的消声室，声音大小为-20dB，这里是吉尼斯官方认证的世上最安静之地。与我们所居住的自然世界相比，这个被3D人造消音棉全方位密封起来的场所在声音上有着巨大差异。



建造这个房间到底有什么用？主要是用于测试音响设备及飞机机身。凭借架构设计及特殊材料的共同作用，它能够消除混响并隔绝外界的声音。它的每个内面都填满了紧密排列的楔形吸音玻璃纤维，以此消除声音的反射。



而这一切都跟自由声场有关，什么是自由声场？



自由声场



自由声场是指无边界的空间中，声源的辐射可自由地向各个方向传播，无约束的声场。



用专业术语说就是声源发出声音时，声音会向四周进行扩散，每一道声波会沿一个方向传播，为什么呢？因为没有反射，你可以想象一个无限大的空间，没有任何障碍物阻挡声波传播，这就是自由声场，代表房间为消声室。




三大声场示意图



那么消声室中自由声场是如何形成的，这个我们需要了解一下消声室的构造、声音在其中传播的现象及作用。



声学专家为了能更好地测试出最好的音响设备效果及飞机隔音的最佳数据，将其使用到人类生活当中。在房间内的每个内面都填满了具有强吸声能力的吸声尖劈或平板式薄板共振吸声结构。



当声源发出声音时，声音传播至墙面时，声波将会被吸收，形成无反射声现象，以此来达到测试音响效果、飞机性能的环境，如图所示。




消声室内声音传播示意图



这种专业级实验室空间，并不太适用于大众化生活建筑当中。




消声室



生活所常见的建筑空间对声学(隔音/吸音)的需求应用主要在以下几点：



1.民用建筑类：主要包括居民住宅区，影剧院、体育场馆等文体空间，企业会议空间，商用录音棚等区域。



2.娱乐场所类：酒吧餐吧、KTV等。



3.医用疗养类：病房、候诊室、问诊室、急诊室等。



4.工业降噪类：厂区生产车间、车间办公室、工业管道等




四大区域声学隔音处理



除了自由声场，还有一个与之相对立的声场，我们称之为扩散声场，扩散声场在生活中有哪些应用？



扩散声场



当封闭空间内被激发起足够多的简正方式（相应的驻波传播方式）声波时，由于不同方式有各特定的传播方向，因而使达到某点的声波包括了各种可能的入射方向。



在这种情况下，除了在扩散场距离内的自由声场区和离界面1/4波长范围内的固定干涉区以外，空间内各点的声能密度相等；从各个方向到达某点的声强相等；到达某点的各波束之间相位是无规律的。具备这样特性的声场称为扩散声场。代表房间为声学混响室。



声学混响室是一个能在所有边界上全部反射声能，并在其中充分扩散，使形成各处能量密度均匀、在各传播方向作无规律分布的扩散场的实验室。



混响室内，基本都是弧形墙面或者光滑墙面，当声音在室内传播时，这些不规则墙面就会对声波进行反射，形成混响效果。



混响室的容积一般在100~500m3之间，对于混响时间上限来说，高频率决定于空气中分子的吸收，低频率取决于墙面上的黏滞性吸收。对于不同面积的混响室，用途也有所不同。



它主要用于测定材料的吸声系数，空气中的声吸收，声源和机器、设备等的声功率及频谱，测量某些电声器件和设备的效率等声学性能以及对灵敏机件作噪声疲劳试验等。

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谈谈自由声场和扩散声场及其应用