室内声场的研究和分析方法

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所属分类:声学基础

室内声学的研究和分析方法有几何声学方法、统计声学方法和波动声学方法。当室内几何尺寸比声波波长大得多时,可用几何声学方法研究早期反射声分布以加强直达声,提高声场的均匀性,避免音质缺陷;统计声学方法是从能量度,研究在连续声源激发下声能密度的增长、稳定和衰减过程 (即混响程),并给混响时间以确切的定义,使主观评价标准和声学客观量结合起来,为室内声学设计提供科学依据;当室内几何尺寸与声波波长可比时,易出现共振现象,可用波动声学方法研究室内声的简正振动方式和产生条件,以提高小空间内声场的均匀性和频谱特性。

房间中从声源发出的声波能量,在传播过程中由于不断被壁面吸收而逐渐衰减。声波在各方向来会反射,而又逐渐衰减的现象称为室内混响。一般在房间中存在两种声,自声源直接到达接受点的声音叫直达声( DirectSound );经过壁面一次或者多次反射后到达接受点的声音,听起来好像是直达声的延续叫做混响声( Reversable Sound )。室内存在混响这是有界空间的一个重要声学特性,在无界空间中是不存在这一现象的。当声源停止工作后室内混响中的律是我们研究室内声学的一个重点。

我们用一个称为混响时间的量来描述室内声音衰减快慢的程度。它的定义为:在扩散声场中,当声源停止后从初始的声压级降低 60dB (相当于平均声能密度降为 1/10 6 )所需的时间,用符号 T 60 来表示(也作 T R )

室内声场的研究和分析方法

该公式最早由美国声学家赛宾从实验获得,因此命名为赛宾公式。

室内声场的研究和分析方法

根据塞宾公司绘得 T 60随房间墙面材料平均吸声系数变化的曲线混响时间对人的听音效果有重要影响,它仍然是迄今为止描述室内音质的一个最为重要的参量,大量经验表明,过长的混响时间会使人感到声音“混浊”不清,使语言听音清晰度降低,甚至更本听不清;混响时间太短就有“沉寂”的感觉,声音听起来很不自然。人们对于语言和音乐,对混响时间的要求是不一样的。一般来说,音乐对混响时间的要求则长一些,使人听起来有丰满的感觉;而语言则要求短一些,有足够的清晰度。对于不同类型的声音,还可以获得一个听音效果最为满意的所谓最佳混响时间,而这种混响时间还同房间的大小有一定关系。

音乐厅的听音设计是混响时间最具代表性的应用了。著名的声学家白瑞奈克曾经比较了全世界最优秀的 76 座音乐厅,其中听音效果最好的当属奥地利的维也纳格鲁斯音乐厅,美国的波士顿音乐厅和荷兰的阿姆斯特丹音乐厅,并在《歌剧院与音乐厅设计》一书中进行了详细的介绍。其中格鲁斯音乐厅的中频混响时间大约为 2.0s ,波士顿音乐厅的中频混响时间约为 1.9s,阿姆斯特丹音乐厅的中频混响时间大约为 2.0s 。加拿大声学家布拉德雷( J. S. Bradley )曾对上述三个国际著名音乐厅进行了系统的研究。他以从最早衰减 10dB与从 5dB 到 3dB 衰减时为度量而分别获得早期衰减混响时间与一般混响时间以及这些响时间在室内的空间标准差。

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维也纳格鲁斯、美国波士顿荷兰和阿姆斯特丹音乐厅

研究发现,这三个音乐厅在空座时混响感都特别明显, 他们一般混响时间约在2.4s-3.1s 范围。而早期衰减时间几乎与一般混响时间相差不多,表明厅内的声能量基本上是按同一指数规律衰减的。而且这两种混响时间,除了高频部分因空气吸收都有常规下降外,几乎与频率关系不大。更有意义的是它们的满座结果。在低中频段这三个音乐厅的两种混响时间几乎都落在了 1.8s-2.1s 范围内。

研究还表明这些音乐厅的混响时间的空间标准偏差都较小,除了早期衰减时间的空间标准偏差稍大外,而一般混响时间的在整个频段内的空间标准差既不不大于 0.1s 这表明这些厅堂的各个座位之间的混响时间差异甚小,可以认为整个厅内混响时间基本均匀。

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