音频应用之房间的声学特性

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声源在室内发声时，声音的传播受到封闭界面的限制，由于各表面的反复反射，出现了复杂的干涉现象，使得室内声场完全不同于室外的情况。声场的干涉现象对室内的听音条件影响很大，归纳起来，房间对室内声场的影响主要有：
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8 ~- ~8 g# g. k* y% W　　1、引起反射声。
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1 W, q* y! X) O: g, q& G% E- G　　2、改变语言和音乐的瞬态特性。
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4 C- a( b) W% s/ d% w    3、增加了声能密度。

　　4、改变了声能在空间的分布。

　　5、由于吸收和共振引起频响的不均匀。

　　一、室内的声学过程

) q6 z# D/ P( }6 j4 E2 T* I　　当声音在空间某一点产生时，就会在它的周围引起一系列声波，它们以声源为中心，呈球形层层向外自由传播，当它们碰到墙面、地板等障碍物时，一部分声能被吸收，另一部分声能被反射，反射的声波又以新的传播方向继续传播，直到下次再碰到障碍物时，又产生新的吸收和反射。如图 所示。声波在室内的多次反射和不断衰减是一个非常复杂的声学过程，这一过程对房间的音质有重大的影响。
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% |& I2 f/ z9 i' d# |  g  c　　因此，我们在室内讲话时，听者总是先听到来自声源的直达声，然后又听到来自墙壁等处的反射声。也就是说，室内声场可以看作是直达声和各种反射声的叠加。总之，室内总声压级与单纯取决于离声源距离关系的自由声场不同。在靠近声源处，总声压级以直达声为主，混响声(即反射声的总和)可以忽略，此时声压的大小与距离的倒数成正比，即距离每增加一倍声压级要下降6分贝。在远离声源处，总声压级则以混响为主，而直达声可以忽略，此时总声压级与距离声源的距离无关，即随着距离的增加声压并不减小。

% h$ _: a3 @7 Z  `" w　　二、室内混响

　　从上节的室内声学过程可知，声波在室内各个方向来回反射，而又逐渐衰减，这一现象通常被称为室内混响。衡量室内混响最有效的参数是混响时间。从声源停止发声的时刻算起，声压级降低60分贝所需的时间，就称为混响时间，常用符号T60来表示，单位是秒。这里要强调一下，通常所说的混响时间并不是指我们在室内实际能听到的声音延续时间。
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+ w; z  |" Q2 a/ F; J　　假如没有墙壁和空气的吸收，在室内激发声波后，声音就会一直延续下去，直到永远。声音之所以不能在室内长时间延续下去，就是因为各种反射面和空气都能吸收声波。研究表明，各种反射面对声波的吸收要比空气的吸收强烈得多，即室内声吸收主要发生在各种反射面上。在大房间中，声音每两次反射之间 所经过的平均路程较大，经过相同次数反射所用时间要比小房间多，于是延续时间也较长，混响时间自然也就长一些;另外，如果房间各壁面的吸声系数大，每次反射时声音会降低(吸收或衰减)得多一些，所以声音延续的时间也就短一些。
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　　实验表明，房间混响时间的长短可以用下面的简化公式来估算：
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7 a5 n8 @5 l7 Y　　T60 = 0.161V / āS + 4MV

4 e# ?8 I) H; m; j　　式中：T60表示房间的混响时间，单位是秒(S)。
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　　V是房间容积，单位是立方米(M3)

# E' g1 M: n# K7 ^1 l, e　　S是房间的内部总表面积，单位是平方米(M2)

" [* s) H7 x& s! C- V　　ā是室内平均吸声系数。
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3 T, r7 n  |& B, J/ l　　M是声能衰减常数，对1千赫声音室内常温下约为 0.0015m -1
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　　从公式中可以看出：混响时间与房间的大小成正比，和室内总吸声量成反比，即房间越大，混响时间越长，室内吸声量越大，混响时间越短。例如，在不加任何吸声处理和情况下，一间100立方米的普通住房，混响时间约为0.7秒;而一个容积达3万立方米的厅堂，混响能达几秒。 表 列出了几种常用的吸声材料的吸声系数，以供参考。
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9 v2 `+ ^" X9 f% s( W　　前面说过，混响作用对室内音质有较然而的影响。一般说来，如果混响效果太弱，声音就会变得沉闷枯燥;如果混响效果太强，则会使声音变得含糊不清;只有合适的混响效果才能保证声音丰满而清晰。事实上，最佳的混响时间不仅与房间的大小有关，而且还与房间的用途有关。通常小房间的的最佳混响时间在1秒左右，而大厅的最佳混响时间可以达到2 ~ 3秒。下图给出了各种不同用途厅堂的中频最佳混响时间(其中曲线1 ~ 5分别对应于管弦乐、音乐(平均值)、轻音乐、语言(平均值)和电影，以供参考。
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　　还有一点需要说明一下，就是高频声在空气中的衰减速度要比低频声快得多，所以混响声中高频成份会随着时间的延长而急剧减小。因此，高频声的混响要比低频声的混响短得多。

0 g) u) U2 Q  t/ C! B" i. X　　近年来，人工混响技术有了很大的进展，特别是数字混响器的出现，使人们可以根据不同的节目内容选择佳的混响时间和最佳的混响效果，即使在小型卡拉OK厅中也能重放出类似于音乐厅、教堂或山谷等地的音响效果，而且操作十分简单。
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3 M" T+ T0 t) B3 Y　　三、早期反射声

( u/ t: v( G, N　　在室内，听众总首先接收到从讲话者(声源)直接传来的声音，即先听到所谓的直达声。从这一点上来讲，室内和室外的情况基本是一样的，但是在室内听众还将陆续接收到从墙壁、天花板、地面等处反射回来的声音(反射声)。其中来的比较早的，也就是反射次数较少的一部分声音反射声(通常是在直达声到达后50米/秒之内到达的反射声)，我们称之为早期反射声或前期反射声。 这一部分反射声人耳不但不能把它们同直达声区分开来，而且还把它们当作是直达声的一部分，即在听觉上增加了直达声的响度，展宽了直达声的声像，同时还提高了直达声的清晰度。在这以后到来的许许多多的反射声(细密的反射声)，在听觉造成一种“余音不绝”的感觉，这就是我们在上一节中介绍的混响声，它们对直达声的响度没有贡献，只能增加它的丰满度。图 给出了在一个房间发出一个脉冲声后反射声的总体情况，从图中可以看出，我们首先听到的是直达声，其次是早期反射声，再其次是越来越密的混响声。

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　　早期反射声和混响声一样，对语言的清晰度有着重大的影响，所不同的是它可以提高清晰度，而混响声则是降低清晰度。实践证明，直达声(包括早期反射声)和混响声的比值对清晰度的影响非常重要，也就是辩，在同样的条件下，如果加强直达声(包括早期反射声)提高它和混响声的比值可以改进清晰度;反之，清晰度就要下降。这个比值被称之为“声能比”，即：
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　　声能比=(直达声能+早期反射声能)/ 混响声能

) z0 l% i, A" X. g5 h4 V! A2 l　　上节讲过，适度的混响声使人感觉到热情而丰满，而适度的早期反射声，则使声音听起来亲切而又清晰。

1 ^$ O, k2 P# @& [. u, E　　除此之外，早期反射声还有一个重要的作用，那就是它还能暗示听众房间有多大，而混响声则没有这种功能。

# p- ^8 Z$ d4 Y7 B　　最后还应指出，如果到达听众的直达声与第一次反射声之间，或者相继到达的两个反射声之间，在时间上相差50米/秒以上，而且反射声的强度又足够大，使听众能明显分辨出是两个声音的存在，那么这种延迟的反射声就称为回声(ECHO)。回声是声反射中的一个特殊现象，它对语言的清晰度带来严重的干扰，在卡拉OK厅的设计中必须设法消除。有时在一些卡拉OK机上也把混响效果称为“ECHO”，其实这只是一种特殊的混响效果，即延时加混响，它特别适合于卡拉OK的演唱，与我们通常所说的回声现象并不是一回事，千万不要混淆。
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7 O7 g6 g& E# C, V6 J0 F9 a　　在通常情况下，回声的出现与下列条件有关：

3 m( z) v: O) h. Y　　1、 小房间内不容易出现回声，因为反射声和直达声之间的时差不会大到足以引起回声。
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. c1 N' V7 h# @9 |3 \0 l4 m　　2、 混响时间长的房间内不容易出现回声，因为强的混响声把“湮没”了。
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　　3、 体积大且混响时间短的房间容易产生回声。
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( o6 C: Y+ w  A! k+ Q) c　　4、 在离声源(讲话或扬声器)近的位置上要比远的位置上容易出现回声。
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　　四、房间的简正方式
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　　在室内，声波可以在任何两个墙面之间传播，也可以围绕房间传播。如果角度选择恰当，经过多次反射后可以形成驻波，每一个驻波就是房间的一个简正振动方式，简正振动方式的频率称为简正频率。因此当房间中声源的激发频率与房间中某一固定频率(简正频率)一致时就产生共振，所以简正频率分布密集且均匀就表示房间的传输频率特性均匀，否则就表示频率特性不均匀。

4 _+ c; S) z  @! g+ C) O　　房间的简正频率主要决定于房间的几何尺寸，例如，对于边长为L，W，H的刚性墙矩形房间，第N个简正振动的频率为：
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7 r) H; @7 d: q% r　　式中，FN表示第N个简正振动方式的简正频率，单位HZ(赫);C表示声速单位米(M)M/S;NX，NY，NZ中可以分别选择的正整数;LX，LY，LZ是房间的三个边长。
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* Q; a, P3 T+ b# O8 u　　从上式可以看出，如果房间的长宽高中有两边相等，则房间内的很多简正振动方式就会成对的具有相同的简正频率(即出现所谓的“简并化”，也就是说，不同的简正波具有相同的简正频率)。由于简并化，结果是很可能在某一频率范围内却没有简正频率;而在另一频率范围内却有较多的简正频率，造成简正频率分布不均匀，从而导致房间频率特性的不均匀。由此可见，为了保证简正频率分布最均匀，房间的长宽高比例必须满足一定的条件，例如：取三边长度之比为：
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　　H ：W ：L =

+ D3 m/ e+ g$ [2 B+ G6 P　　即比例应为一无理数。一般选用2∶3∶5，当然其它的比例也是可以的，例如1∶1.25∶1.6或1∶1.6∶2.5等。但跟上述比例相关较大时，就必须防止可能产生的音质缺陷，即引起“声染色”。所谓的声染色是指信号的频率与房间自身的谐振频率相等时，由于共振而大幅度的增强起来，从而偏离了原来的音色。除了合理设计房间的长度比外，安装各种凸面的扩散体，也能避免因反射而形成的驻波。

) ^7 `8 C* K% H1 c7 E% a7 X6 L　　五、传输响应
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5 G) A  Z5 T3 M( S2 l( f$ j5 I: M8 o　　房间可以看作是有一定频率特性的传声通路。声音在房间内传播时，一方面由于共振使得其中的某些频率(等于房间的简正频率)的声音得到放大;另一方面由于室内各种不同的吸声体对不同频率的声音有不同的吸声量(比如木栅地板易吸收低频声，而布帷幕则易吸收高频声)，所以声音在室内传输时频响并不均匀，如图 所示。为了保证声音在室内传输的均匀性，我们经常需要用房间均衡器对其校正。
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　　六、与房间形状有关的特殊声学现象

4 t4 Y" s( r: X, A' ^4 [　　回声 在室内由各墙壁反射而使到达听者的反射声波所经过的路程大于直达声，如果反射声与直达声的路程差大于17米，即相当于延迟50毫秒，滞后的反射声就可能形成回声，回声的主观感受决定于时间差和强度差，减小路程差或衰减反射声就可以减弱回声的感觉。
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3 u% a$ D- |  Y! `6 N, ]9 a( W. X1 Z　　声聚集 如果室内存在凹面，则由于凹面聚集将使声能集中到焦点上，从而使室内声场分布不均匀。因此，在卡拉OK厅中要尽量避免大面积的凹面。
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- v9 N! _1 y3 ^  C; _. X2 N6 a0 ~　　回音壁 也是与凹面反射密切相关的一种声学现象，是指声音沿着一个大的凹面爬行，尤以高频声为甚。北京天坛的回音壁就有这种声学现象的典型代表。向着这种凹面低语，在远处仍然可以听得清楚。

3 Q* I" A3 y4 z. J7 t9 `　　死点 由于凹面聚集的影响，房间声能集中在焦点附近，而室内其它各处反射声严重不足。声能不足的区域有时被称为死点。另一类死点是由于声波干涉引起的，但这种干涉现象一般对房间的音质危害不大。
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8 B' e. o% ?  P/ f4 ~; ~　　颤动回声 一般发生在室内一对平行(相对)壁面之间。一个单独的脉冲声，将在相对墙壁间来回反射，产生多次脉冲回声。如果这些壁面之间的距离很大，那么颤动是很慢的。例如：拍一下掌，除了清脆的拍掌声外，还可以听到一连串逐渐减小的“扑、扑”声，直到逐渐消逝。
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