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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。" T/ x. I8 ]. |3 @/ g, D5 Y2 h0 \
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% e. A3 w* Z' K# o* e6 f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。+ M" q+ _/ j# w0 {5 ~+ T2 I$ D
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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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(一)混响半径(临界距离), A6 |1 S, {( G& F
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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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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。( y, l( q' I% n$ F
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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。3 N: B+ M# |; W4 d" o* T6 L0 m
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6 N# N' S# {7 e. X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。2 d- t: E3 n, Y# S, m! t
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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。3 s# m: x: B, T; L) l( x& x
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关于临界距离(混响半径)的一些特点:
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7 D8 J* }- Z' H& Z, \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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) h& v* \/ {& i2、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;+ V9 A: Q) J n% j$ i/ c
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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。
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5 B& }0 Z& m% B2 H(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。
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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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% a& t$ o" X1 [" m* m5 o X, O(三)混响时间计算公式
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9 t% J* X* u: u8 N2 T0 h$ Y% z& ^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。! a3 h* V. W6 @, m
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+ S9 ~1 p; h- V: B- Y4 V2 Y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。; c& ?0 d; @; G- O. w( ?0 Q- N
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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。7 n3 A9 C. E( U7 t8 g( z
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2 p+ x2 j2 `8 u" u7 W1 }6 d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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$ @# z7 v, n% E' n1 g7 W6 Q; s1、室内表面的吸声量;; F8 B, v9 w. ^! B! B% _$ l) {
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2、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)
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7 }5 J' B8 Q5 ~4 l6 P& B$ ^9 I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”。) i' W7 z$ l* f; h. P. r
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四、房间共振和共振频率
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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。
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6 H/ @) s4 k2 {; s- j! m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。' s' d ?% q9 ?7 z( d q( \( d
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(一)矩形房间的共振频率) c' i- v+ c& X! x
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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0 s9 B/ d, i8 _+ z: e: b
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切向共振% k/ ~8 J9 W! N! r; S. \1 I
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4 y$ u% _7 B8 |( [4 v# T1 R" m# Z2 V斜向共振
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' \0 g% R* D! J& k) b(二)共振频率的简并7 c% \7 o7 c c- J5 j0 q
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4 ~* N- P! l/ b# p$ P$ c$ J# S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。( C1 C t- k O$ D* s+ D9 R) v' p0 E
/ W t6 `4 v9 @& p8 y5 S! j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。& i, C3 G6 {% X2 ?7 c
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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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