室内声学设计的重要性

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室内声学设计是建筑声学中非常重要的组成部分,主要针对家庭影院、视听室、录音室、演播室等需要具有较高声学设计的空间。由于室内空间的特殊原因,声音在其中的传播规律与剧院等大型专业建筑空间有着显著的区别,容易引起驻波、振颤回声、声染色等声学缺陷。下面,针对室内空间的声学原理与设计的重要性向大家进行简要描述。

 

01 声音的传播

 

声音是人耳通过听觉神经对空气振动的主观感受。声音产生于物体的振动,例如扬声器的纸盆、拨动的琴弦等等,这些振动的物体称之为声源。声源发声后,必须经过一定的介质才能向外传播。这种介质可以是气体,也可以是液体和固体。在受到声源振动的干扰后,介质的分子也随之发生振动,从而使能量向外传播。但必须指出,介质的分子只是在其未被扰动前的平衡位置附近作来回振动,并没有随声波一起向外移动。介质分子的振动传到人耳时,将引起人耳耳膜的振动,最终通过听觉神经而产生声音的感觉。

 

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02 自由声场与室外声场

 

传播声波的空间称为声场,声场又分为自由声场、扩散声场(混响声场)和半自由声场。所谓自由声场,即声源在均匀、各向同性的媒质中,边界的影响可以不计的声场称为自由声场。在自由声场中,声波按声源的辐射特性向各个方向不受阻碍和干扰地传播。

 

但是,理想的自由声场很难获得,人们只能获得满足一定测量误差要求的近似的自由声场。例如地面反射声和噪声可忽略的高空,当气象条件适宜时,便可以认为是自由声场。实际上风、云、空气密度变化等,都会影响声波的传播。又如在经过专门设计的房间中,在一定的频率范围内,房间的边界能有效地吸收所有入射的声波,这样的房间内的声音主要是直达声,也可认为是自由声场,这样的房间称消声室,多用于一些设备的测试工作。

 

在室外,某点声源发出的球面声波,其波阵面连续向外扩张,随着声波与声源距离的增加,声能迅速衰减。当点声源向没有反射面的自由空间辐射声能时,声波以球面波的形式辐射。这时,任何一点上的声强遵循与距离平方成反比的定律。如果用声压级表示,则距离增加一倍,声压级衰减6dB。

 

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03 室内声场

 

在室内,声波在封闭空间中的传播及其特性比在露天场合要复杂得多。这时,声波将受到封闭空间各个界面,如顶棚、地面、墙壁等的反射、吸收与透射,室内声场因而存在着许多与自由声场不同的声学问题。因此,研究室内声场,对室内音质设计和噪声控制具有重要的意义。

 

 

 图片3室内声的组成

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直达声:是室内任一点直接接收到声源发出的声音,是接收声音的主体,不受空间界面影响,其声强基本与听点到声源间距离的平方成反比衰减。

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早期反射声:指延迟直达声50ms以内到达听声点的反射声,对声音起到增强作用。在大空间内,因反射距离远,易形成回声,产生空间感。

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混响声:声波经室内界面的多次反射,迟于早期反射声到达听点的声音,直至声源停止发声,但由于多次反射,听点仍能听到,故又称余声,影响声音的清晰度。

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 图片4室内声音的传播

 

04 室内声场的特点

 

室内空间的声场受到室内各个界面的影响,与自由声场相比,其主要特点有:

 

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听者接收到的声音,不仅包括直达声,还有陆续到达的来自各反射面的发射声,它们有的经过一次发射,有的经过多次反射;

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声波在各界面除了反射外,还有散射、投射和吸收等声学现象发生;

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声能的空间分布发生了变化;

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由于房间的共振可能引起某些频率的声音被加强或减弱;

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与自由声场有不同的音质。

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室内声音的变化过程

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室内声音的增长:声源在室内辐射声能时,声波即同时在空间开始传播,当入射到某一界面,就有部分声能被吸收,其余部分则被反射。反射的声能继续传播,将再次乃至多次被吸收和反射。这样,在空间就形成了一定的声能密度,如果声能连续发生,随着声源不断地供给能量,室内声能密度随时间而增加,这就是室内声音的增长过程。

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 图片6室内吸收不同对声音增长和衰减的影响

 

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稳态声能密度:当一定时间内,室内表面吸收的声能与声源供给的能量相等,室内声能密度就不再增加,而处于稳定状态。需要指出,实际上,大多数情况下,大约经过1~2s,声能密度即接近最大值(稳态)。对于一个室内吸声量大、容积也大的房间,接近稳态前的某一时刻的声能密度,比一个吸声量、容积均小的房间要弱。所以,在房间声学设计时,需恰当地确定容积和室内吸声量。

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室内声音的衰变

当声能密度达到稳态时,若声源突然停止发声,室内接收点上的声音并不会立即消失,而是有一个逐渐衰变的过程。首先是直达声消失,然后是一次反射声、二次反射声……逐次消失。因此,室内声能密度将逐渐减弱,直至趋近为零。这一衰变过程称为“混响过程”或“交混回响”。

 

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从室内声音的增长、稳态和衰变过程可以看出,当室内表面反射很强时,声源发声后,可获得较高的声能密度,而进入稳态过程的时间稍晚一点。当声源停止发声后,反射声消失的时间拖得长些,即声音衰变较慢。若室内表面吸声量增加,则与上述情况相反,短时间内达到稳态,且声能密度小,其混响过程也短一些。对音质要求较高的场所,须控制交混回响时间,譬如音乐厅,其内部装修就须专门人员进行设计,根据房间的大小、尺寸、墙壁与天花板的情况,采用一定的吸音材料以减小声音的反射。

 

05 混响和混响时间计算公式

 

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,也就是声压级降低60dB所需的时间,一般用T60表示,单位为秒。

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混响时间T60

 

混响时间是目前音质设计中能定量估算的重要评价指标,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。

 

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)。

 

 图片9混响半径(临界距离)

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)

 

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。

 

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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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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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。

 

关于临界距离(混响半径)的一些特点:

 

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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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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;

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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。

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混响与回声

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。

 

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。

 

混响时间计算公式

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。

 

图片12V 为房间的容积m³,A 为房间的吸声量m²。

 

式中,α 为平均吸声系数。

 

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。

 

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。

 

联系人:吕新江(音响工程师)

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