一、自由声场与室外声场 传播声波的空间称为声场,声场分自由声场、扩散声场(混响声场)和半自由声场。
所谓自由声场,即在声波传播的空间中无反射面,声源在该声场中发声,在声场中的任一点只有直达声,无反射声。消声室就是人造的自由声场。电声设备的都要在消声室中进行。 在室外,某点声源发出的球面声波,其波阵面连续向外扩张,随着声波与声源距离的增加,声能迅速衰减。当点声源向没有反射面的自由空间辐射声能时,声波以球 面波的形式辐射。这时,任何一点上的声强遵循与距离平方成反比的定律。如果用声压级表示,则距离增加一倍,声压级衰减 6dB。
二、室内声场
在室内,声波在封闭空间中的传播及其特性比在露天场合要复杂得多。这时,声波将受到封闭空间各个界面,如顶棚、地面、墙壁等的反射、吸收与透射。室内声场因而存在着许多与自由声场不同的声学问题。研究室内声场,对室内音质设计和噪声控制具有重要的意义。
室内声场的特点
(1)声波在各个界面引起一系列的反射,吸收与透射;
(2)与自由声场有不同的音质;
(3)由于房间的共振可能引起某些频率的声音被加强或减弱;
(4)声能的空间分布发生了变化。
三、房间共振(驻波)
当声波在两面平等的墙之间传播时,如果墙面之间的距离等于半波长的整数倍时,就会产生驻波。房间中的低频驻波也称为房间模式(Room Mode)。
在一房间中,空气振动的共振频率主要由房间的大小来决定。而房间内所激发的共振频率的分布则决定于房间的比例。共振频率的计算很复杂,一般都用软件来计算。
小房间(长5m,宽4m,高3m)低频声场的仿真:
频率从20-100Hz,步长0.5Hz。
消除驻波的最佳方法是改变房间的形状,使墙面不平行,或将墙成做成弧形。
四、混响与回声
混响是室内的声学现象。声音由声源发出后,在空气中传播,传播过程中在房间的界面上产生反射、吸收、扩散、透射、干涉和衍射等波动作用,形成复杂的室内声场,使人产生混响感。声源停止发声后,室内声场会持续一段时间。
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。
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。
五、混响时间
当室内声场达到稳态,声源停止发声后,声压级降低60dB所需要的时间称为混响时间,记作T60或RT,单位是秒(s)。
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。
六、临界距离(Critical Distance)
就是在声源轴线方向上,直达声与混响声声能相等处的距离。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)。
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。
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。
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。
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。
当混响声比直达声大 12db 以上,声音清晰度将全部失去。
寻找临界距离的最简单方法为:用音响系统播放压缩的流行音乐,开始用一个音箱(左或右),在房间里来回地走,很容易就能找到临界距离。用另一个音箱重复一遍,再同时用两个音箱重复一遍。与声学测量相比较,你会对人耳的精确性感到惊讶。
• 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。
• 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。
听音室的设计要遵循一些基本的原则:
一、选择合适的房间比例、或使墙面不平行、或增加扩散,避免或减轻驻波的影响。
二、混响时间合适,使临界距离尽可能远。
三、吸收一次反射声,减轻一次反射声对直达声的干涉。
四、尽量吸声,如不能使吸声达到要求,则尽量对反射声进行扩散,使声场尽量均匀。
一个简单的声学处理实例如下: