房间声场的特征模式

室内声场理论及声压级、混响时间计算一、室内声场理论1 声音在室内的传播声音在房间室内传播时，不但遵循室外大气中传播的规律，还会被房间天花、地面、墙面反射回来，声源不断发声时，入射声波与反射声波相叠加，形成复杂的室内声场。

大的平表面会象镜面一样反射声音，而且入射角等于反射角。

内凹型的表面会聚拢声音，形成声聚焦。

外秃的表面能够使将声音发散，形成扩散。

当房间表面起伏不平，而且起伏尺寸接近或小于声音波长时，声音入射后将不会形成定向反射，而是向各个方向无规则地反射，形成扩散。

就象光，表面平整的镜子能够反射出人像，这是镜面反射的结果，如果使用磨石将镜子磨毛，将成为乌玻璃，就是因为玻璃表面出现坑凹不平，尺寸与光的波长接近，形成光散射，各个角度都能看到入射的光，玻璃变得“发乌”了。

声音入射到房间表面一部分能量进入材料内部，一部分能量穿透材料到对面空间，这种能量损失的过程是吸声。

完全没有吸声的房间被称为理想混响室，如果在里面拍一下掌，声音将不断反射，在无限时间内回响。

现实情况下不存在这种房间，墙壁坚硬且光滑的房间混响时间很长，接近混响室，房间中声音会加强，接近混响室的房间中噪声比在一般房间内可能高15dB。

声音完全没有反射的房间被称为理想消声室，房间中只有声源的直达声，这样的声场叫做“自由场”。

在自由场中，距点声源距离增大一倍，声压级严格下降6dB。

现实情况下也不存在理想消声室，对房间进行强吸声处理可以近似看作消声室，因房间中只有直达声，声压级比普通房间可以降低10dB。

2 室内混响2.1 直达声与混响声声源发出的直接到达的声音是直达声，直达声总是最先到达人耳，这是因为直达声比反射声的声程短。

除了直达声以外，反射的声音形成了混响声，使室内声压级增加。

直达声只与声源强度有关，声源功率越大，直达声声压级越大，如果需要降低直达声，唯一的方法是使声源安静下来。

房间地面上立有阻挡直达声的屏障时，反射声会从天花反射过来，使屏障的隔声能力下降，如果天花吸声，减弱了反射声能量，屏障的降噪效果能够提高。

室内声场：（1）室内声场的特征从室外某一声源发出的声波，以球面波的形式连续向外传播，随着接收点与声源距离的增加，声能迅速衰减。

而在剧院的观众厅、体育馆、教室、播音室等封闭空间内，声波在传播时将受到封闭空间各个界面(墙壁、天花、地面等)的反射与吸收，声波相互重叠形成复杂声场，即室内声场，并引起一系列特有的声学特性。

室内声场的显著特点是：①距声源一定距离的接收点上，声能密度比在自由声场中要大，常不随距离的平方衰减。

②声源停止发声以后，在一定的时间里，声场中还存在着来自各个界面延迟的反射声，产生所谓“混响现象”。

③由于室内的形状和内装修材料的布置，可能会形成回声、颤动回声(平行墙面引起的多次声反射)、声音聚焦等各种特殊听音现象。

④由于声反射形成的干涉而出现房间的共振，引起室内声音某些频率的加强或减弱。

（2）室内几何声学忽略声音的波动性质，以几何学的方法分析声音能量的传播、反射、扩散，称作“几何声学”。

与此相对，着眼于声音波动性的分析方法叫做“波动声学”或“物理声学”。

对于室内声场的分析，用波动声学的方法只能解决体型简单、频率较低的较为单纯的情况。

在实际的大厅里，其界面的形状和性质复杂多变，用波动声学的方法分析十分困难。

但是在一个比波长大得多的室内空间中，如果忽略声音的波动性，用几何学的方法分析，其结果就会十分简单明了。

因此在解决室内声学的多数实际问题中，常常用几何学的方法，就是几何声学的方法。

当然，这并不是说波动理论不重要，为了正确运用几何声学的方法，对声音的波动性质也应有正确和足够的理解。

几何声学的方法就是把与声波的波阵面相垂直的直线作为声音的传播方向和路径，称为“声线”。

声线与反射性的平面相遇，产生反射声。

反射声的方向遵循入射角等于反射角的原理。

用这种方法可以简单和形象地分析出许多室内声学现象，如直达声与反射声的传播路径、反射声的延迟以及声波的聚焦、发散等等。

图2.3-1是声音在室内传播的声线图形。

室内声学原理一.室内声场：当一个声源在室内发声时，声波由声源到室内各接收点形成了复杂声场。

对于任一接收点，其所接收到的声音可以简单地看做由三部分组成，即直达声、近次反射声及混响声。

（1）直达声：是由声源直接到达接收点的声音。

在传播过程中，这部分声音不受室内界面的影响，直达声的强度基本上按照与声源距离的平方成反比而衰减。

（2）近次反射声：一般是指在直达声之后相对延迟时间为50毫秒内到达的反射声。

这些短延迟的反射声主要是经由室内界面一次、二次以及少数三次等反射后到达接收点的声音，故称近次反射声。

人耳对于延时为50号秒以内的反射声难以与直达声分开，故这些反射声会对直达声起到加强作用。

此外，短延时反射声和侧向到达的反射声对音质有很大影响。

（3）混响声：在近次反声后续到达的、经过多次反射的声音统称为混响声。

在远场混响声的加强，对于该接收点的声音强度起决定作用，而且其衰减率的大小对音质有重要影响。

二.房间共振在一些内装修材料比较坚硬的房间内，当声源发声时，常会激发这个房间内的某些固有频率（或称简正频率）的声音即出现了房间的共振现象。

当发生共振现象时，声源中某些频率被特别的加强了，在声学上称为出现了“声染色”现象。

此外这种房间共振还表现为使某些频率（主要是低频）的声音在空间分布上很不均匀，即出现了在某些固定位置上的加强和某些固定位置上的减弱。

在一些体积较小的矩形播音室内常常出现的低频嗡声，就是由房间共振引起的。

声染色可能性最大的频率段为100~175Hz，其次为250 Hz附近。

房间产生共振可以用驻波原理加以解释。

驻波是两列同频率、同振幅但沿着某一轴向相向传播的波相互叠加而形成的。

三.隔声罩一般为封闭小空间，同样的噪声源，罩内某点声级比无罩时为高，尤其当罩内无吸收时。

在确定隔声罩的平均隔声量TL时，据使用经验，一般罩内有强吸收或一般吸收、或无吸收时的插入损失分别为20、15和10dB左右。

声场消声室—房间四周均有吸声结构，因此传向各个方向的声音不会被反射。

若一个房间具备自由场的条件，则会有完美的吸声效果。

消声末端—经常在高效吸声风管末端测试消声效果。

房间平均吸声系数（a）—将一个房间分成几个表面区域，单位为ft2或m2，全部房间的吸声系数，单位为赛宾或公制赛宾。

辐射─指声音以一个相当小的立体角度发射的现象。

当频率增加时，这种特性更加准确。

散射场—在此环境中，各个位置的声压级相同，各个方向的声能流量也相等。

指向性因数（DI）—在远场中的任一个给定方向的声压级和平均声压级之间的差别。

从一个敞开的、排风管或风管发出的噪声，随测点和风管中心线的夹角而变化。

以上所示数据为当量直径或直径约为10 ft (3.05m)的管道或风管发出的噪声。

扩散—在一个自由声场中，声波的传播使远场中声源的声压级随着离声源的距离越远而越低。

远场—声场的一部分，声压随距声源距离的增加而减少。

距离每增加一倍，声压级相应减少约6dB。

自由场—指在一种环境中，声波在没有障碍物或反射的情况下，向各个方向传播。

如：消声室。

硬质房间—对声音的吸收率非常低，而反射率相当高的房间。

反平方定律—在远场和自由场的条件下，声音密度的变化与距声源的距离的平方成反比。

两个远场点之间声压级的差如下所示：Lp2 = Lp1 - 20 log(R2 / R1) （B-1）其中：Lp1 = 位置1的声压级，dB；Lp2 = 位置2的声压级，dB；R1 = 从声源到点1的距离；R2 = 从声源到点2的距离。

（R1、R2单位必须相同）公制Sabins—参看“总吸声值”。

近场—在声源和远场之间，距声源较近的位置。

近场的典型特点是：只要测点与声源间距有微小变化，声压就会变化很大。

敞开的场—在一种环境里，声源可被固定在一个声学反射平面上，在无障碍物和反射的情况下，声音以半球形的形式传播。

例：一间带有硬质（反射）地板的消声室；具有平坦地面而无障碍物的室外环境。

室内声场的特点和数字声场处理的原理室内声场的特点声音在室内和野外的表现是不同的。

同样的声音在室内比在野外要响得多。

声音在室内和野外的声场也不同。

在野外，距离声源越远声音越小，而在室内一定范围内，不同距离的声音响度相差不多。

造成上进差别的主要原因是由于声音在室内界面上的反射，衰减较慢的缘故。

在野外，人们听到的声音基本上是声源的直达声。

在室内，听到的声音除直达声之外，还有近次反射声和混响声。

当聆听一台音乐会时·观众首先听到的声音直接来自台上的演奏者，这就是直达声。

直达声是由声源直接到达聆听点的声音，它不受室内界面的影响，遗种声音到选聆听点处的声音强度与声源距离的平方戚反比衰减。

若干毫秒后，观众听到的是从离座位最近的墙面上返回的近次反射声。

近次反射声主要是由舞台上反射板和两侧墙面反射到听众的最初几次反射声，比直达声延迟50 ms左右。

再稍后，观众听到的将是离观众最远的墙面上返回的混响声。

混响声是由声波在室内多次反射而形成的·种无固定方向或均匀向各十方向传播的反射声。

每个聆听场所都有自己一套的直达声、近次反射声和混响声特性。

也就是说，同样的声音在不同的演奏环境中在聆听点产生的声学结构特征是完全不同的，因而就形成了完全不同昀音质音色特点。

大致地说.50 ms前的近状反射声能够起到加强直达声的响度，改善语言清晰度和亲切感的效果50 ms后的混响声对丰满度、融合度和空间感有影响。

混响声与直达声、近次反射声之间的时间间隔及各次反射声强度不同均会对音质和音色产生微妙的影响。

此外-反射声的到来方向对昕音感觉也有很大的影响。

例如，对侧向到来的声音-人耳十分灵敏并且有利于了解厅堂横向尺度，而四面八方来的反射声对音乐的丰满度和空间感有较大的影响。

数字声场处理的原理根据上面的说明可知-室内声音无非就是直达声和反射声组成的，然而由于它们在时间、方向和强度方面千差万别，在现场听到的声音就变得十分复杂，甚至有点捉摸不定。

室内声场的基本特征室内声场是指在封闭空间内产生的声音环境，其特征取决于房间的几何形状、表面材料以及人员和物体的位置。

了解室内声场的基本特征对于音响设计、室内声学研究以及声音传播的理解至关重要。

本文将探讨室内声场的一些基本特征。

1. 回声和混响在一个封闭空间中，声音在墙壁、天花板和地板上反射并产生回声。

回声是指声音产生后，经过一段时间后才被听到的声音。

回声的强度和时间取决于房间的大小和形状。

较大的房间和平滑的表面会产生更多的回声，而较小的房间和粗糙的表面则会减少回声。

与回声相对的概念是混响，混响是指声音在房间中反射、散射、吸收、折射等过程后的持续时间和强度。

混响时间是衡量房间内声学特性的重要指标之一。

较长的混响时间会使声音听起来更加持久，而较短的混响时间则会使声音听起来更加清晰。

2. 固有模态室内声场中的固有模态是指房间内特定频率的声波在空间中形成驻波的现象。

当声波频率与房间内某个模态的固有频率相匹配时，会产生共振效应。

这些固有模态的分布和能量分布对声音的吸收、散射和反射产生影响。

房间的几何形状决定了固有模态的频率和分布。

例如，一个长方形房间会产生垂直和水平方向上的主要固有模态，而一个圆形房间则会产生对称的固有模态。

了解和控制固有模态对于优化室内声音环境至关重要。

3. 吸声材料和吸声设计为了减少回声和混响，室内设计中通常会使用吸声材料。

吸声材料能够将声音能量转化为热能或其他形式的能量，从而减少声音的反射。

常见的吸声材料包括吸声板、吸声瓷砖和吸音布。

吸声设计是指在室内空间中合理安排吸声材料的位置和数量。

通过增加吸声材料的数量和覆盖范围，可以有效减少回声和混响，并改善声场的均匀性和清晰度。

4. 声音传播与扩散室内声场中的声音传播是指声音从声源到听者之间的传输过程。

声音在室内空间中的传播受到各种因素的影响，包括声音源的位置、房间的几何形状、材料的吸声特性以及障碍物的存在。

扩散是指声音在室内空间中以多个方向传播的能力。