淺談室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計的重要性

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　   室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計是建筑聲學(xué)中非常重要的組成部分，同時也是私人定制影院行業(yè)從業(yè)人員的必修科目。室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計主要針對家庭影院、視聽室、錄音室、演播室等需要具有較高聲學(xué)設(shè)計的空間，由于室內(nèi)空間的特殊原因，聲音在其中的傳播規(guī)律與劇院等大型專業(yè)建筑空間有著顯著的區(qū)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

　　聲音是人耳通過聽覺神經(jīng)對空氣振動的主觀感受。聲音產(chǎn)生于物體的振動，例如揚(yáng)聲器的紙盆、撥動的琴弦等等。這些振動的物體稱之為聲源。聲源發(fā)聲后，必須經(jīng)過一定的介質(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。在受到聲源振動的干擾后，介質(zhì)的分子也隨之發(fā)生振動，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前的平衡位置附近作來回振動，并沒有隨聲波一起向外移動。介質(zhì)分子的振動傳到人耳時，將引起人耳耳膜的振動，最終通過聽覺神經(jīng)而產(chǎn)生聲音的感覺。

　　二、自由聲場與室外聲場

　　傳播聲波的空間稱為聲場，聲場又分為自由聲場、擴(kuò)散聲場(混響聲場)和半自由聲場。所謂自由聲場，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稱為自由聲場。在自由聲場中，聲波按聲源的輻射特性向各個方向不受阻礙和干擾地傳播。

　　但是，理想的自由聲場很難獲得，人們只能獲得滿足一定測量誤差要求的近似的自由聲場。例如地面反射聲和噪聲可忽略的高空，當(dāng)氣象條件適宜時，便可以認(rèn)為是自由聲場。實(shí)際上風(fēng)、云、空氣密度變化等都會影響聲波的傳播。又如在經(jīng)過專門設(shè)計的房間中，在一定的頻率范圍內(nèi)，房間的邊界能有效地吸收所有入射的聲波，這樣的房間內(nèi)的聲音主要是直達(dá)聲，也可認(rèn)為是自由聲場。這樣的房間稱消聲室，多用于一些設(shè)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(xù)向外擴(kuò)張，隨著聲波與聲源距離的增加，聲能迅速衰減。當(dāng)點(diǎn)聲源向沒有反射面的自由空間輻射聲能時，聲波以球面波的形式輻射。這時，任何一點(diǎn)上的聲強(qiáng)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(nèi)聲場

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

　　(一)室內(nèi)聲的組成

　　直達(dá)聲：是室內(nèi)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(qiáng)基本與聽點(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(dá)聲50ms以內(nèi)到達(dá)聽聲點(diǎn)的反射聲，對聲音起到增強(qiáng)作用;在大空間內(nèi)，因反射距離遠(yuǎn)，易形成回聲，產(chǎn)生空間感。

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

　　室內(nèi)聲音的傳播

　　(二)室內(nèi)空間的聲場受到室內(nèi)各個界面的影響，與自由聲場相比，其主要特點(diǎn)有：

　　1、聽者接收到的聲音，不僅包括直達(dá)聲，還有陸續(xù)到達(dá)的來自個反射面的發(fā)射聲，它們有的經(jīng)過一次發(fā)射，有的經(jīng)過多次反射;

　　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(xiàn)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(qiáng)或減弱;

　　5、與自由聲場有不同的音質(zhì)。

　　四、室內(nèi)聲音的變化過程：增長、穩(wěn)定和衰減

　　(一)室內(nèi)聲音的增長

　　但聲源在室內(nèi)輻射聲能時，聲波即同時在空間開始傳播，當(dāng)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(xù)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(xù)發(fā)生，隨著聲源不斷地供給能量，室內(nèi)聲能密度隨時間而增加，這就是室內(nèi)聲音的增長過程。

　　(二)穩(wěn)態(tài)聲能密度

　　當(dāng)一定時間內(nèi)，室內(nèi)表面吸收的聲能與聲源供給的能量相等，室內(nèi)聲能密度就不再增加，而處于穩(wěn)定狀態(tài)。需要指出，實(shí)際上，大多數(shù)情況下，大約經(jīng)過1~2s，聲能密度即接近最大值(穩(wěn)態(tài))。對于一個室內(nèi)吸聲量大、容積也大的房間，接近穩(wěn)態(tài)前的某一時刻的聲能密度，比一個吸聲量、容積均小的房間要弱。所以，在房間聲學(xué)設(shè)計時，需恰當(dāng)?shù)卮_定容積和室內(nèi)吸聲量。

　　(三)室內(nèi)聲音的衰變

　　但聲能密度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，若聲源突然停止發(fā)聲，室內(nèi)接受點(diǎn)上的聲音并不會立即消失，而是有一個逐漸衰變的過程。首先是直達(dá)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(nèi)聲能密度將逐漸減弱，直至趨近為零。這一衰變過程稱為“混響過程”或“交混回響”。

　　從室內(nèi)聲音的增長、穩(wěn)態(tài)和衰變過程可以看出，當(dāng)室內(nèi)表面反射很強(qiáng)時，聲源發(fā)聲后，可獲得較高的聲能密度，而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程的時間稍晚一點(diǎn)。當(dāng)聲源停止發(fā)聲后，反射聲消失的時間拖得長些，即聲音衰變較慢。若室內(nèi)表面吸聲量增加，則與上述情況相反，短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，且聲能密度小，其混響過程也短一些。對音質(zhì)要求較高的場所，須控制交混回響時間，譬如音樂廳，其內(nèi)部裝修就須專門人員進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)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、混響和混響時間計算公式

　　混響和混響時間是室內(nèi)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，在聲場中還存在著來自各個界面的遲到的反射聲形成的聲音“殘留”現(xiàn)象。這種殘留現(xiàn)象的長短以混響時間來表征：但房間內(nèi)聲聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后，使其停止發(fā)聲，聲能逐漸減少到原來聲能(穩(wěn)態(tài)時具有的聲能)的百萬分之一所經(jīng)歷，也就是聲壓級降低60dB所需的時間。一般用T60表示，單位為秒。

　　混響時間是目前音質(zhì)設(shè)計中能定量估算的重要評價指標(biāo)，它直接影響廳堂音質(zhì)的效果。房間的混響長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，混響時間長，吸音量大且體積小的房間，混響時間就短?；祉憰r間過短，聲音發(fā)干，枯燥無味，不親切自然;混響時間過長，會使聲音含混不清;合適時聲音圓潤動聽?；祉憰r間的大小與頻率相關(guān)，低頻、中頻、高頻的混響時間是不一樣的。一般所說的混響時間都是指平均混響時間。

　　假設(shè)混響聲場是一個房間，那么混響聲場中混響的程度，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。舉一個極端的例子，如果在理想的混響聲場中打了個噴嚏，那么噴嚏聲將被無限次反射，混響時間(T60)是永久持續(xù)的。但是這種理想的混響聲場很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槁暡〞凰闹艿膲Ρ谝约霸诼晥鲋械奈锲匪?、投射等等。一個高混響的房間，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(nèi)聲場中直達(dá)聲聲能密度等于混響聲聲能密度的點(diǎn)與聲源的距離，被稱為混響半徑或臨界距離。臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的。回聲越強(qiáng)的房間臨界距離越近，吸音越強(qiáng)的房間，臨界距離越遠(yuǎn)。(臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的)。

　　好的聲學(xué)設(shè)計，臨界距離要離聲源盡可能遠(yuǎn)，結(jié)果在全頻帶內(nèi)混響最小最平坦。直達(dá)聲從揚(yáng)聲器系統(tǒng)開始遞補(bǔ)減，是距離的函數(shù)(平方反比定律)。但混響恒定地散布房間(新的聲音不斷從揚(yáng)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)兩曲線的交點(diǎn)就是臨界距離。

　　房間無吸聲時的臨界距離距聲源很近，這種房間只適合近聲場聽音。

　　在吸聲的房間中，臨界距離被推向后墻，使最佳聽音區(qū)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。

　　關(guān)于臨界距離(混響半徑)的一些特點(diǎn)：

　　1、當(dāng)混響聲比直達(dá)聲大12db以上，聲音清晰度將全部失去;

　　2、混響越強(qiáng)的房間臨界距離越近，吸聲越強(qiáng)的房間臨界距離越遠(yuǎn);

　　3、近聲場或直達(dá)聲場在臨界距離內(nèi)，遠(yuǎn)聲場或反射聲場(混響)在臨界距離外。

　　(二)混響與回聲

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

　　聲源的直達(dá)聲和近次反射聲相繼到達(dá)人耳，延遲時間小于30ms時，一般人耳不能區(qū)分出來，僅能覺察到音色和響度的變化，人們感覺到混響。但當(dāng)兩個相繼到達(dá)的聲音時差超過50ms時(相當(dāng)于直達(dá)聲與反射聲之間的聲程差大于17m)，人耳能分辯出來自不同方向的兩個獨(dú)立的聲音，這時有可能出現(xiàn)回聲?；芈暤母杏X會妨礙音樂和語言的清晰度(可懂度)，要避免。

　　(三)混響時間計算公式

　　長期以來，不少人對這一過程的定量化進(jìn)行了研究，得出了適用于實(shí)際工程的混響時間計算公式。19世紀(jì)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)問題的過程中，進(jìn)行了大量的吸聲試驗(yàn)，提出了室內(nèi)混響理論，奠定了現(xiàn)代建筑聲學(xué)的理論基礎(chǔ)。他首先從試驗(yàn)獲得混響時間的計算公式，通常又稱為賽賓公式。

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

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

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

　　1、室內(nèi)表面的吸聲量;

　　2、觀眾廳內(nèi)觀眾和座椅的吸聲量(有兩種計算方法：一種是觀眾或座椅的個數(shù)乘與單個吸聲量;二是按照觀眾和座椅所占的面積乘與單位面積的相應(yīng)吸聲量)

　　賽賓公式和伊林公式只考慮了室內(nèi)表面的吸收作用，對于頻率較高的聲音(一般為2000Hz以上)，當(dāng)房間較大時，在傳播過程中，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間計算公式稱為“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(nèi)聲音的增長、穩(wěn)態(tài)和衰減過程，都是從能量的增長、平衡以及衰減予以分析的，并沒有涉及聲音的波動性質(zhì)，沒有涉及到聲音的頻率。但在實(shí)際情況中，室內(nèi)有聲源發(fā)聲時，室內(nèi)的聲能密度就會由于聲源的頻率不同而有強(qiáng)有弱，即房間對不同的頻率有不同的“響應(yīng)”，房間本身也會“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，這個頻率的聲能密度就越強(qiáng)。

　　共振會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(qiáng)，某些固定位置被減弱。所以，房間共振現(xiàn)象會對室內(nèi)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，稱為軸向共振。除了三個方向的軸向共振外，聲波還可在兩維空間內(nèi)出現(xiàn)駐波，稱為切向共振。此外，還會出現(xiàn)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)共振頻率的簡并

　　某些振動方式的共振頻率相同時，就會出現(xiàn)共振頻率的重疊現(xiàn)象，稱為共振頻率的簡并。在出現(xiàn)簡并的共振頻率上，那些與共振頻率相同的聲音將被大大加強(qiáng)，使人們感到聲音失真，稱之為聲染色。

　　想要克服共振頻率的簡并現(xiàn)象，需要選擇合適的房間尺寸，比例和形狀，并進(jìn)行室內(nèi)表面處理。一般來說，房間的形狀越不規(guī)則越好。如果將房間的長、寬、高的比值選擇為無理數(shù)時，則可有效地避免共振頻率的簡并。再者，如果將房間的墻面或頂棚處理成不規(guī)則的形狀，布置聲擴(kuò)散構(gòu)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。

　　七、聲波的干涉和駐波

　　聲波的干涉

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

　　駐波

　　駐波的特點(diǎn)是，在空間上出現(xiàn)穩(wěn)定的交替變化位移幅度場，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，在極大值和極小值之間出現(xiàn)過渡值。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(jié)。對于聲壓而言，距墻面1/2波長處和距墻面1/2波長的整數(shù)倍處，聲壓最大，成為聲波的波腹。

　　房間中出現(xiàn)駐波時，聽感為一種嗡聲。例如，在無陳設(shè)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，對于視聽室、錄音室、演播室來說會造成聲場分布嚴(yán)重不均勻，是一種不良的室內(nèi)聲缺陷，需要通過音質(zhì)設(shè)計預(yù)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?qū)Τ勺龀苫⌒巍?/p>

　　結(jié)語：從以上可以看出，室內(nèi)空間設(shè)計是影響聲音表現(xiàn)最大的因素，也是最難以克服的問題。因此，我們在打造一間視聽室之前，必須要根據(jù)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。

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　　相關(guān)問答：

　　問：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(dú)立影音室和客廳開放式兩種。獨(dú)立影院主要做的是隔音，擴(kuò)散和消除駐波。開放式的主要是好地板和后墻的擴(kuò)散，加上低音炮的擺位就可以了。音響比較復(fù)雜，聲學(xué)是一門最重要課程。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!

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　　問：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不同，舉例如果你做噪聲控制的話，你工作內(nèi)容便是進(jìn)行噪聲聲壓級測試，分析噪聲頻譜，另外有時還需要對吸隔聲材料進(jìn)行性能測試

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