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  • 19 2019-08

      淺談室內聲學(xué)設計的重要性


          室內聲學(xué)設計是建筑聲學(xué)中非常重要的組成部分,同時(shí)也是私人定制影院行業(yè)從業(yè)人員的必修科目。室內聲學(xué)設計主要針對家庭影院、視聽(tīng)室、錄音室、演播室等需要具有較高聲學(xué)設計的空間,由于室內空間的特殊原因,聲音在其中的傳播規律與劇院等大型專(zhuān)業(yè)建筑空間有著(zhù)顯著(zhù)的區別,容易引起駐波、振顫回聲、聲染色等聲學(xué)缺陷。

        一、聲音的傳播

        聲音是人耳通過(guò)聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)對空氣振動(dòng)的主觀(guān)感受。聲音產(chǎn)生于物體的振動(dòng),例如揚聲器的紙盆、撥動(dòng)的琴弦等等。這些振動(dòng)的物體稱(chēng)之為聲源。聲源發(fā)聲后,必須經(jīng)過(guò)一定的介質(zhì)才能向外傳播。這種介質(zhì)可以是氣體,也可以是液體和固體。在受到聲源振動(dòng)的干擾后,介質(zhì)的分子也隨之發(fā)生振動(dòng),從而使能量向外傳播。但必須指出,介質(zhì)的分子只是在其未被擾動(dòng)前的平衡位置附近作來(lái)回振動(dòng),并沒(méi)有隨聲波一起向外移動(dòng)。介質(zhì)分子的振動(dòng)傳到人耳時(shí),將引起人耳耳膜的振動(dòng),最終通過(guò)聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)而產(chǎn)生聲音的感覺(jué)。

        二、自由聲場(chǎng)與室外聲場(chǎng)

        傳播聲波的空間稱(chēng)為聲場(chǎng),聲場(chǎng)又分為自由聲場(chǎng)、擴散聲場(chǎng)(混響聲場(chǎng))和半自由聲場(chǎng)。所謂自由聲場(chǎng),即聲源在均勻、各向同性的媒質(zhì)中,邊界的影響可以不計的聲場(chǎng)稱(chēng)為自由聲場(chǎng)。在自由聲場(chǎng)中,聲波按聲源的輻射特性向各個(gè)方向不受阻礙和干擾地傳播。

        但是,理想的自由聲場(chǎng)很難獲得,人們只能獲得滿(mǎn)足一定測量誤差要求的近似的自由聲場(chǎng)。例如地面反射聲和噪聲可忽略的高空,當氣象條件適宜時(shí),便可以認為是自由聲場(chǎng)。實(shí)際上風(fēng)、云、空氣密度變化等都會(huì )影響聲波的傳播。又如在經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計的房間中,在一定的頻率范圍內,房間的邊界能有效地吸收所有入射的聲波,這樣的房間內的聲音主要是直達聲,也可認為是自由聲場(chǎng)。這樣的房間稱(chēng)消聲室,多用于一些設備的測試工作。

        在室外,某點(diǎn)聲源發(fā)出的球面聲波,其波陣面連續向外擴張,隨著(zhù)聲波與聲源距離的增加,聲能迅速衰減。當點(diǎn)聲源向沒(méi)有反射面的自由空間輻射聲能時(shí),聲波以球面波的形式輻射。這時(shí),任何一點(diǎn)上的聲強遵循與距離平方成反比的定律。如果用聲壓級表示,則距離增加一倍,聲壓級衰減6dB。

        三、室內聲場(chǎng)

        在室內,聲波在封閉空間中的傳播及其特性比在露天場(chǎng)合要復雜得多。這時(shí),聲波將受到封閉空間各個(gè)界面,如頂棚、地面、墻壁等的反射、吸收與透射。室內聲場(chǎng)因而存在著(zhù)許多與自由聲場(chǎng)不同的聲學(xué)問(wèn)題,也是在私人定制家庭影院、視聽(tīng)室等案例的設計中的關(guān)鍵因素。因此,研究室內聲場(chǎng),對室內音質(zhì)設計和噪聲控制具有重要的意義。

        (一)室內聲的組成

        直達聲:是室內任一點(diǎn)直接接收到聲源發(fā)出的聲音。是接收聲音的主體,不受空間界面影響,其聲強基本與聽(tīng)點(diǎn)到聲源間距離的平方成反比衰減。

        早期反射聲:指延遲直達聲50ms以?xún)鹊竭_聽(tīng)聲點(diǎn)的反射聲,對聲音起到增強作用;在大空間內,因反射距離遠,易形成回聲,產(chǎn)生空間感。

        混響聲:聲波經(jīng)室內界面的多次反射,遲于早期反射聲到達聽(tīng)點(diǎn)的聲音,直至聲源停止發(fā)聲,但由于多次反射,聽(tīng)點(diǎn)仍能聽(tīng)到,故又稱(chēng)余聲,影響聲音的清晰度。

        室內聲音的傳播

        (二)室內空間的聲場(chǎng)受到室內各個(gè)界面的影響,與自由聲場(chǎng)相比,其主要特點(diǎn)有:

        1、聽(tīng)者接收到的聲音,不僅包括直達聲,還有陸續到達的來(lái)自個(gè)反射面的發(fā)射聲,它們有的經(jīng)過(guò)一次發(fā)射,有的經(jīng)過(guò)多次反射;

        2、聲波在各界面除了發(fā)射外,還有散射、投射和吸收等聲學(xué)現象發(fā)生;

        3、聲能的空間分布發(fā)生了變化;

        4、由于房間的共振可能引起某些頻率的聲音被加強或減弱;

        5、與自由聲場(chǎng)有不同的音質(zhì)。

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        四、室內聲音的變化過(guò)程:增長(cháng)、穩定和衰減

        (一)室內聲音的增長(cháng)

        但聲源在室內輻射聲能時(shí),聲波即同時(shí)在空間開(kāi)始傳播,當入射到某一界面,就有部分聲能被吸收,其余部分則被發(fā)射。反射的聲能繼續傳播,將再次乃至多次被吸收和發(fā)射。這樣,在空間就形成了一定的聲能密度,如果聲能連續發(fā)生,隨著(zhù)聲源不斷地供給能量,室內聲能密度隨時(shí)間而增加,這就是室內聲音的增長(cháng)過(guò)程。

        (二)穩態(tài)聲能密度

        當一定時(shí)間內,室內表面吸收的聲能與聲源供給的能量相等,室內聲能密度就不再增加,而處于穩定狀態(tài)。需要指出,實(shí)際上,大多數情況下,大約經(jīng)過(guò)1~2s,聲能密度即接近最大值(穩態(tài))。對于一個(gè)室內吸聲量大、容積也大的房間,接近穩態(tài)前的某一時(shí)刻的聲能密度,比一個(gè)吸聲量、容積均小的房間要弱。所以,在房間聲學(xué)設計時(shí),需恰當地確定容積和室內吸聲量。

        (三)室內聲音的衰變

        但聲能密度達到穩態(tài)時(shí),若聲源突然停止發(fā)聲,室內接受點(diǎn)上的聲音并不會(huì )立即消失,而是有一個(gè)逐漸衰變的過(guò)程。首先是直達聲消失,然后是一次發(fā)射聲、二次發(fā)射聲……逐次消失。因此,室內聲能密度將逐漸減弱,直至趨近為零。這一衰變過(guò)程稱(chēng)為“混響過(guò)程”或“交混回響”。

        從室內聲音的增長(cháng)、穩態(tài)和衰變過(guò)程可以看出,當室內表面反射很強時(shí),聲源發(fā)聲后,可獲得較高的聲能密度,而進(jìn)入穩態(tài)過(guò)程的時(shí)間稍晚一點(diǎn)。當聲源停止發(fā)聲后,反射聲消失的時(shí)間拖得長(cháng)些,即聲音衰變較慢。若室內表面吸聲量增加,則與上述情況相反,短時(shí)間內達到穩態(tài),且聲能密度小,其混響過(guò)程也短一些。對音質(zhì)要求較高的場(chǎng)所,須控制交混回響時(shí)間,譬如音樂(lè )廳,其內部裝修就須專(zhuān)門(mén)人員進(jìn)行設計,根據房間的大小、尺寸、墻壁與天花板的情況,采用一定的吸音材料以減小聲音的反射。

        五、混響和混響時(shí)間計算公式

        混響和混響時(shí)間是室內聲學(xué)中最為重要和最基本的概念。所謂混響,是指聲源停止發(fā)聲后,在聲場(chǎng)中還存在著(zhù)來(lái)自各個(gè)界面的遲到的反射聲形成的聲音“殘留”現象。這種殘留現象的長(cháng)短以混響時(shí)間來(lái)表征:但房間內聲聲場(chǎng)達到穩態(tài)狀態(tài)后,使其停止發(fā)聲,聲能逐漸減少到原來(lái)聲能(穩態(tài)時(shí)具有的聲能)的百萬(wàn)分之一所經(jīng)歷,也就是聲壓級降低60dB所需的時(shí)間。一般用T60表示,單位為秒。

        混響時(shí)間是目前音質(zhì)設計中能定量估算的重要評價(jià)指標,它直接影響廳堂音質(zhì)的效果。房間的混響長(cháng)短是由它的吸音量和體積大小所決定的,體積大且吸音量小的房間,混響時(shí)間長(cháng),吸音量大且體積小的房間,混響時(shí)間就短?;祉憰r(shí)間過(guò)短,聲音發(fā)干,枯燥無(wú)味,不親切自然;混響時(shí)間過(guò)長(cháng),會(huì )使聲音含混不清;合適時(shí)聲音圓潤動(dòng)聽(tīng)?;祉憰r(shí)間的大小與頻率相關(guān),低頻、中頻、高頻的混響時(shí)間是不一樣的。一般所說(shuō)的混響時(shí)間都是指平均混響時(shí)間。

        假設混響聲場(chǎng)是一個(gè)房間,那么混響聲場(chǎng)中混響的程度,取決于聲能被四周的墻壁以及房間中的物品反射、吸收的程度。舉一個(gè)極端的例子,如果在理想的混響聲場(chǎng)中打了個(gè)噴嚏,那么噴嚏聲將被無(wú)限次反射,混響時(shí)間(T60)是永久持續的。但是這種理想的混響聲場(chǎng)很難實(shí)現,因為聲波會(huì )被四周的墻壁以及在聲場(chǎng)中的物品所吸收、投射等等。一個(gè)高混響的房間,常常被形容成是活的(Live),而混響很少的房間,則被形容成死的(Dead)。

        (一)混響半徑(臨界距離)

        室內聲場(chǎng)中直達聲聲能密度等于混響聲聲能密度的點(diǎn)與聲源的距離,被稱(chēng)為混響半徑或臨界距離。臨界距離在全頻帶內是不同的?;芈曉綇姷姆块g臨界距離越近,吸音越強的房間,臨界距離越遠。(臨界距離在全頻帶內是不同的)。

        好的聲學(xué)設計,臨界距離要離聲源盡可能遠,結果在全頻帶內混響最小最平坦。直達聲從揚聲器系統開(kāi)始遞補減,是距離的函數(平方反比定律)。但混響恒定地散布房間(新的聲音不斷從揚聲器發(fā)出,混響不斷建立,直到新的聲音與被吸收的聲音相等,因此混響保持恒定)兩曲線(xiàn)的交點(diǎn)就是臨界距離。

        房間無(wú)吸聲時(shí)的臨界距離距聲源很近,這種房間只適合近聲場(chǎng)聽(tīng)音。

        在吸聲的房間中,臨界距離被推向后墻,使最佳聽(tīng)音區變寬。上圖中,附加的好處是漏到室外的聲壓降低了20dB,降低了對隔音的要求。

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        關(guān)于臨界距離(混響半徑)的一些特點(diǎn):

        1、當混響聲比直達聲大12db以上,聲音清晰度將全部失去;

        2、混響越強的房間臨界距離越近,吸聲越強的房間臨界距離越遠;

        3、近聲場(chǎng)或直達聲場(chǎng)在臨界距離內,遠聲場(chǎng)或反射聲場(chǎng)(混響)在臨界距離外。

        (二)混響與回聲

        混響是室內聲反射和聲擴散共同作用的結果。同樣是源于反射,但由于人耳的聽(tīng)聞特性,混響和回聲有明顯的不同。

        聲源的直達聲和近次反射聲相繼到達人耳,延遲時(shí)間小于30ms時(shí),一般人耳不能區分出來(lái),僅能覺(jué)察到音色和響度的變化,人們感覺(jué)到混響。但當兩個(gè)相繼到達的聲音時(shí)差超過(guò)50ms時(shí)(相當于直達聲與反射聲之間的聲程差大于17m),人耳能分辯出來(lái)自不同方向的兩個(gè)獨立的聲音,這時(shí)有可能出現回聲?;芈暤母杏X(jué)會(huì )妨礙音樂(lè )和語(yǔ)言的清晰度(可懂度),要避免。

        (三)混響時(shí)間計算公式

        長(cháng)期以來(lái),不少人對這一過(guò)程的定量化進(jìn)行了研究,得出了適用于實(shí)際工程的混響時(shí)間計算公式。19世紀末,哈佛大學(xué)年青物理學(xué)家賽賓(W.C.Sabine)在解決學(xué)校Fogg藝術(shù)博物館聲學(xué)問(wèn)題的過(guò)程中,進(jìn)行了大量的吸聲試驗,提出了室內混響理論,奠定了現代建筑聲學(xué)的理論基礎。他首先從試驗獲得混響時(shí)間的計算公式,通常又稱(chēng)為賽賓公式。

        根據賽賓公式可以看出,房間容積越大混響時(shí)間越長(cháng);平均吸聲系數越大,混響時(shí)間越短。體積巨大的空間,如果不進(jìn)行吸聲處理的話(huà),混響時(shí)間很長(cháng),造成講話(huà)清晰度下降。其提出控制混響時(shí)間主要有兩種方法:改變房間的容積和改變房間表面吸聲量。盡管在設計時(shí)改變房間的體積,但調整混響時(shí)間更實(shí)用的方法是改變吸聲量。

        在室內總吸聲量較小(吸聲系數小于0.2)、混響時(shí)間較長(cháng)的情況下,有賽賓的混響時(shí)間計算公式求出的數值與時(shí)間測量值相當一致,而在室內總吸聲量較大、混響時(shí)間較短的情況下,計算值則與實(shí)測值不符。

        在室內表面的平均吸聲系數較大時(shí),只能用伊林公式計算室內的混響時(shí)間。利用伊林公式計算混響時(shí)間時(shí),在吸聲量的計算上也應考慮兩部分:

        1、室內表面的吸聲量;

        2、觀(guān)眾廳內觀(guān)眾和座椅的吸聲量(有兩種計算方法:一種是觀(guān)眾或座椅的個(gè)數乘與單個(gè)吸聲量;二是按照觀(guān)眾和座椅所占的面積乘與單位面積的相應吸聲量)

        賽賓公式和伊林公式只考慮了室內表面的吸收作用,對于頻率較高的聲音(一般為2000Hz以上),當房間較大時(shí),在傳播過(guò)程中,空氣也將產(chǎn)生很大的吸收,這種吸收主要決定于空氣的相對濕度,其次的溫度的影響。這種考慮空氣吸收的混響時(shí)間計算公式稱(chēng)為“伊林—努特生(Eyring-Knudsen)公式”。

        六、房間共振和共振頻率

        前面所述室內聲音的增長(cháng)、穩態(tài)和衰減過(guò)程,都是從能量的增長(cháng)、平衡以及衰減予以分析的,并沒(méi)有涉及聲音的波動(dòng)性質(zhì),沒(méi)有涉及到聲音的頻率。但在實(shí)際情況中,室內有聲源發(fā)聲時(shí),室內的聲能密度就會(huì )由于聲源的頻率不同而有強有弱,即房間對不同的頻率有不同的“響應”,房間本身也會(huì )“共振”,存在共振頻率。聲源的頻率與房間的共振頻率越接近,越易引起房間的共振,這個(gè)頻率的聲能密度就越強。

        共振會(huì )使某些頻率的聲音在空間分布上很不均勻,即某些固定位置被加強,某些固定位置被減弱。所以,房間共振現象會(huì )對室內音質(zhì)造成不良的影響。

        (一)矩形房間的共振頻率

        在矩形房間的三對平行表面間也可產(chǎn)生共振,稱(chēng)為軸向共振。除了三個(gè)方向的軸向共振外,聲波還可在兩維空間內出現駐波,稱(chēng)為切向共振。此外,還會(huì )出現斜向共振。房間尺寸的選擇,對共振頻率有很大影響。

        軸向共振

        切向共振

        斜向共振

        (二)共振頻率的簡(jiǎn)并

        某些振動(dòng)方式的共振頻率相同時(shí),就會(huì )出現共振頻率的重疊現象,稱(chēng)為共振頻率的簡(jiǎn)并。在出現簡(jiǎn)并的共振頻率上,那些與共振頻率相同的聲音將被大大加強,使人們感到聲音失真,稱(chēng)之為聲染色。

        想要克服共振頻率的簡(jiǎn)并現象,需要選擇合適的房間尺寸,比例和形狀,并進(jìn)行室內表面處理。一般來(lái)說(shuō),房間的形狀越不規則越好。如果將房間的長(cháng)、寬、高的比值選擇為無(wú)理數時(shí),則可有效地避免共振頻率的簡(jiǎn)并。再者,如果將房間的墻面或頂棚處理成不規則的形狀,布置聲擴散構件,或合理布置吸聲材料,也可減少房間共振所引起的不良影響。

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        七、聲波的干涉和駐波

        聲波的干涉

        當具有相同頻率、相同相位的兩個(gè)波源所發(fā)出的波相遇疊加時(shí),在波重疊的區域內某些點(diǎn)處,振動(dòng)始終彼此加強;而在另一些位置,振動(dòng)始終互相削弱或抵消,這種現象叫做干涉。當兩列頻率相同的波在同一直線(xiàn)上正對或同向傳播時(shí),疊加后因干涉而產(chǎn)生的波稱(chēng)為駐波。

        駐波

        駐波的特點(diǎn)是,在空間上出現穩定的交替變化位移幅度場(chǎng),有些位置是極大值,有些位置是極小值,兩者空間位置距離為1/4波長(cháng),在極大值和極小值之間出現過(guò)渡值。即在入射波與反射波相位相同的位置上,振幅因相加而增大;在相位相反的位置上,振幅因相減而減小。這就形成了位置固定的波腹與波節。對于聲壓而言,距墻面1/2波長(cháng)處和距墻面1/2波長(cháng)的整數倍處,聲壓最大,成為聲波的波腹。

        房間中出現駐波時(shí),聽(tīng)感為一種嗡聲。例如,在無(wú)陳設的空房間,擊掌發(fā)聲,余音中嗡嗡作響,這就是駐波引起的。駐波還能在二維或三維空間中形成,對于視聽(tīng)室、錄音室、演播室來(lái)說(shuō)會(huì )造成聲場(chǎng)分布嚴重不均勻,是一種不良的室內聲缺陷,需要通過(guò)音質(zhì)設計預以防止。消除駐波的最佳方法是改變房間的形狀,使墻面不平行,或將墻成做成弧形。

        結語(yǔ):從以上可以看出,室內空間設計是影響聲音表現最大的因素,也是最難以克服的問(wèn)題。因此,我們在打造一間視聽(tīng)室之前,必須要根據實(shí)際情況選擇不同的聲學(xué)處理方法,有效避免產(chǎn)生聲學(xué)缺陷。


        相關(guān)問(wèn)答:

        問(wèn):家庭影院為啥要做聲學(xué)處理?

        答: 家庭影院的聲學(xué)處理分為獨立影音室和客廳開(kāi)放式兩種。獨立影院主要做的是隔音,擴散和消除駐波。開(kāi)放式的主要是好地板和后墻的擴散,加上低音炮的擺位就可以了。音響比較復雜,聲學(xué)是一門(mén)最重要課程。家庭影院有的人更注重視頻方面的享受。器材搭配好了,聲學(xué)處理才顯得有意義!


        問(wèn):聲學(xué)檢測工程師的主要工作是做什么的?

        答:聲學(xué)測試工程師在不同的行業(yè)做的工作也不一樣,聲學(xué)是物理學(xué)的分支,但是其和其它學(xué)科的交叉比較多,所以不同行業(yè)中聲學(xué)測試工程師的工作也會(huì )不同,舉例如果你做噪聲控制的話(huà),你工作內容便是進(jìn)行噪聲聲壓級測試,分析噪聲頻譜,另外有時(shí)還需要對吸隔聲材料進(jìn)行性能測試

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