室内声场的分析方法

soonth · 发表于 2009-11-13

1、室内声场
当两个人边走边谈，从室外走进建筑物内时，人们就会感觉到，此时的相互交谈声与室外不太相同，并且会感到交谈的声音会变得响一些。这是什么原因呢？室内声场与没有反射声的自由场或室外声场相比较，一方面由于室内表面产生很多反射声，从而使声能逐渐增加，最后达到稳定声能，它比室外无反射声的声能提高很多，这就使室内讲话要比室外响亮。另一方面，在室内声源停止发声后，室内的声音不会马上消失，而是逐渐减小的。总的来说，房间对声音的影响主要表现在以下四个方面：
(1)引起反射声；
(2)改变音质；
(3)由于简正波的激发，增加声能密度；
(4)使声音在空间的分布发生变化。
在不同条件、不同要求下，对室内声场进行分析可采用不同的分析方法——几何声学、统计声学、波动声学的方法。几何声学的分析方法类似于几何光学，利用声线图可以分析房间的特殊体形和反射面对音质的影响。统计声学的分析方法主要是在实践中，通过大量的数据统计分析得出一些公式，并用这些公式来进行厅堂的音质设计；而波动声学的分析方法，通过声波特性的研究，能揭示室内声场的本质，虽然还不能提出指导音质设计的简单原则，但它不仅可以阐述几何声学方法和统计声学方法适用的范围，还可以解释一些不满足扩散声场条件出现的声学过程。
2、室内几何声学分析方法
当声波的频率较高，即声波的波长小于房间中反射面的尺度时，可以用几何光学中光线的概念把声波的传播看作沿声线传播的声能，而忽略声波的波动性能，这是几何声学的方法。几何声学的方法在研究房间内各个反射面的作用时是非常有效的，还可以检查房间内是否有声聚焦现象。几何声学方法使用的条件是反射面或障碍物的尺寸要远大于声波的波长。这时声波才能按照反射角等于入射角的几何光学反射定律反射。

图1 室内声音的传播

图1所示为一个矩形房间的横剖面，当声源在S处发声时，房间内听声者R首先听到的是由声源直接传来的声音，即直达声SR，然后依次听到由声源经一面墙反射到达的一次反射声SAR、 SBR，经过两面墙反射后到达的二次反射声SCDR，经三面墙反射后到达听声人的三次反射声……直至多次反射声。由于房间各表面对声音反射时还要吸收一部分声能，因此，反射声随反射次数的增多，强度将逐渐减弱。此外，反射声到达入耳处的路程要长于直达声，因而反射声到达听声人处的时间要滞后于直达声，反射次数越多的声音，滞后的时间也就越长。图2给出的是广东会馆实测得到的房间脉冲响应波形图，从图中可以看出经过墙面多次反射接收到的信号的强度减弱。

图2 广东会馆实测脉冲响应波形图面

按照反射面的不同分类，常见的反射的类型主要有：平面反射、凹面反射和凸面反射。平面反射如图3 (a)所示，声源S发出若干条声线入射到反射界面上，对这些不同入射点反射声线，可在界面后面向后延长这些声线，它们将聚集在一点，即声像点。声像点S′位于声源S至界面垂线上，并且距界面的距离与声源至界面的距离相等。对于房间内的观察者来说，声源在界面上所有反射都好像是来源于这个声像点S′。S′也称作虚声源。凹面反射以及凸面反射示意图如图3 (b)和图3(c)所示。可以看出凸面对入射声波有明显的散射作用，在音质设计中，正确地使用凸曲面，将有助于声场的扩散均匀。

图3 反射类型

而凹反射的特点是使声音会聚于某一区域或出现声聚焦点，从而造成声场分布的不均匀，在音质设计中应注意防止。

需要注意的是，对于低频声(63 Hz～125 Hz) ，波长为5.4 m—2.7 m。在一个各个表面尺寸均小于声波波长的小房间内，几何反射定律将不适用。此外，当声波在大房间内遇到小尺度的障碍物，或尺寸较小的反射板时，将产生弯曲，即形成明显的声衍射，但不会造成明显的扩散反射。对于中频声(500 Hz—1 000 Hz)，波长范围68 cm～34 cm，当遇到大的天花板和墙壁时，仍然遵循几何定律。但遇到与声波波长相近的构件和装修处理时，则要形成扩散反射。对于高频声(2000 Hz—8000 Hz)，波长范围17 cm～4 cm，这时大部分室内构件将会形成明显的声影。此外，一般的天花板与墙面仍会遵循几何反射定律。

5168100 · 发表于 2009-11-14

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