封闭空间中的声场特性

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所属分类:声学基础

声源在被声阻抗率不同的界面所包围的空间中辐射的声场称封闭空间中的声场。例如机器在车间或实验室中发出噪声,当门、窗或其他开口的面积远小于整个边界的面积,则室内的声场就可以近似地看作是封闭空间中的声场。

封闭空间中的声场特性

声源在封闭空间中辐射声波时,传播到各界面上的声波,一部分被界面吸收,一部分被反射。在一般房间中,要经过多次反射后,声波的强度才减弱到可以被忽略的程度。

直达声和混响声

声源在封闭空间中连续稳定地辐射声波时,空间各点的声能是来自各方向的声波叠加的结果。其中未经反射、直接传播到某点的声波称为直达声;一次和多次反射声的叠加称为混响声

直达声的强度与离声源中心的距离平方成反比。如果频率较高(波长与空间尺寸相比很小),混响声的强度可近似地认为各处相等。混响声能的大小,除与声源辐射功率有关外,还与空间大小和诸界面的平均吸声系数有关。

室内声压稳态值

声源以声功率(W)在封闭空间中稳定地辐射声波时,一方面声波在媒质中传播时,声能不断衰减,声波遇到界面时又有一部分能量被吸收;另一方面声源又不断地补充声能。声源开始发声后经过很短一段时间,声能就达到动态平衡状态,这时空间内各点声压达到一稳态值

把室内的直达声和混响声都计算在内时,在离声源中心距离为r的某点,声压平方的平均值p倍,ρ0是空气的密度;c是空气中的声速;Qθ是声源在θ方向辐射的指向性因数,即该点的声强与声功率相等的无指向性声源在相同距离上的声强之比;R=Sā/(1-ā)称为房间常数;S是室内总表面积;ā是室内诸表面的平均吸声系数。

扩散场距离

直达声压按距离反比规律而衰减,混响声可近似认为在空间内各点都相等,因此在离声源的某一距离处,其直达声有效声压与混响声有效声压正好相等,这个距离称为扩散场距离rc

封闭空间体积或界面的吸声系数越大,扩散场距离就越大。当声源在各方向辐射的指向性因数不同时,不同方向上的扩散场距离也不同。如果声源辐射无指向性,这时各方向的扩散场距离都相同,称为混响半径。

在小于扩散场距离的区域内,直达声大于混响声,在允许误差范围内,可以忽略混响声(即反射声)影响的区域,作为近似的自由声场。反之,在大于扩散场距离的区域,混响声大于直达声,称为混响声场。

简正方式

声波在互相平行的一对刚性界面之间传播时,如果距离为半波长的整数倍,就会产生共振。相应的频率称简正频率(或固有频率、共振频率),相应的驻波传播方式称简正振动方式,或简正方式。三维空间有一系列的各种类型的简正方式。关于简正频率的计算式见室内声学。

扩散声场

当封闭空间内被激发起足够多的简正方式时,由于不同方式有各自特定的传播方向,因而使达到某点的声波包括了各种可能的入射方向。在这种情况下,除了在扩散场距离内的自由声场区和离界面1/4波长范围内的固定干涉区以外,空间内各点的声能密度相等;从各个方向到达某点的声强相等;到达某点的各波束之间的相位是无规的。具备这样特性的声场称为扩散声场

理想的扩散声场是难以获得的。特别在低频段,被激发起的简正方式较少,到达某点的声波入射方向不够多,各点声能密度的起伏也比较大。此外,当界面有大块面积的表面声阻抗率相差很大的材料时,也会使空间内的声场不均匀。这种情况称为声场不扩散或扩散不良。为了获得较好的声场扩散条件,特别对于混响室或专门测试噪声的实验室,在设计时应考虑采取以下措施:

使实验室有足够大的体积;

使实验室有良好的布局;

在室内增加适当的固定或活动的扩散体。

声场衰变和混响时间

声源一停止发声, 封闭空间内各处的平均声能密度就按指数率逐渐衰变。声能密度衰变到原来的百万分之一时所需的时间称为混响时间。混响时间的长短与空间体积成正比,而与空间内声吸收成反比。

不同类型的简正方式有不同的指数衰变率(或混响时间)。总的衰变过程不是单一的指数衰变规律,同时空间内不同点的衰变率也往往有较大的差异。这种混响时间的不均匀性和衰变率的不规则性是与声场扩散不良紧密联系的。

当声场扩散不良时,室内各点声压值和混响时间的起伏都比较大。这时,在实际声学测量中,只有在较多的测点求出多次测量的平均值,才能得到较为准确的实验结果。

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