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    室內聲學基礎

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    室內聲學基礎
    * 來源 : * 作者 : admin * 發表時間 : 2015-08-31 * 瀏覽 : 23
        第一章聲音的基本性質

      一、聲音的產生與傳播

      聲音是人耳通過聽覺神經對空氣振動的主觀感受。

      聲音產生于物體的振動,例如揚聲器的紙盆、撥動的琴弦等等。這些振動的物體稱之為聲源。聲源發聲后,需要經過一定的介質才能向外傳播。這種介質可以是氣體,也可以是液體和固體。在受到聲源振動的干擾后,介質的分子也隨之發生振動,從而使能量向外傳播。但需要指出,介質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。介質分子的振動傳到人耳時,將引起人耳耳膜的振動,通過聽覺神經而產生聲音的感覺。例如,揚聲器的紙盆,當音圈通過交變電流時就會產生振動。這種振動引起鄰近空氣質點疏密狀態的變化,又隨即沿著介質依次傳向較遠的質點,到達接收者??梢钥闯?,在聲波的傳播過程中,空氣質點的振動方向與波的傳播方向相平行,所以聲波是縱波。   
     

    揚聲器紙盒就相當于上圖中的活塞。

       在空氣中,聲音就是振動在空氣中的傳播,我們稱這為聲波。聲波可以在氣體、固體、液體中傳播,但不能在真空中傳播。
      二、聲波的頻率、波長與速度
      當聲波通過彈性介質傳播時,介質質點在其平衡位置附近作來回振動。質點完成一次完全振動所經歷的時間稱為周期,記為T,單位是秒(s)。質點在1秒內完成完全振動的次數稱為頻率,記作f,單位為赫茲(Hz),它是周期的倒數,即:
      f=1/T

          介質質點振動的頻率即聲源振動的頻率。頻率決定了聲音的音調。高頻聲音是高音調,低頻聲音是低音調。人耳能夠聽到的聲波的頻率范圍約在20—20000Hz之間。低于20Hz的聲波稱為次聲波,高于20000Hz的稱為超聲波。次聲波與超聲波都不能使人產生聽感覺。

      聲波在其傳播途徑上,相鄰兩個同相位質點之間的距離稱為波長,記為λ,單位是米(m)?;蛘哒f,波長是聲波在每一次完全振動周期中所傳播的距離。
     
     

      聲波在彈性介質中傳播的速度稱為聲速,記為v,單位是米/秒(m/s)。聲速不是介質質點振動的速度,而是質點振動狀態的傳播速度。它的大小與質點振動的特性無關,而與介質的彈性、密度以及溫度有關。20度的空氣中聲速為344米/秒。

       頻率、波長、周期和聲速有如下關系:
            c=fλ或c=λ/T

       聲學測量中常常在某一頻率區間取特定值進行測量。這個頻率區間稱之為頻帶(Frequency band)。由上限頻率f2和下限頻率f1規定寬帶。f1、f2間隔可以用頻率比或以2為底的對數表示,稱為頻程。關系式:
            f2=2^n f1
       當n=1時,稱為1/1倍頻程(Octave),即每個頻帶是上限頻率為下限頻率兩倍的頻帶寬度,即f2=2f1。
       當n=1/3時,稱為1/3倍頻程,即每個頻帶是上限頻率為下限頻率1.26倍的頻帶寬度,即f2=1.26 f1。

       為了某種特殊的需要,更窄的頻帶有1/10倍頻程、1/12倍頻程、1/15倍頻程、1/30倍頻程等等。

        1/1倍頻程對應于音樂上的一個八度。

      在房屋建筑中,頻率為100-10000Hz的聲音很重要。它們的波長范圍相當于3.4-0.034m。這個波長范圍與建筑內部的一些部件尺度相近,故在處理一些建筑聲學問題時,對這一波段的聲波尤其要引起重視。

       三、聲功率級、聲強級和聲壓級
       聲功率級:
       聲功率是指聲源在單位時間內向外輻射的聲能,用W表示,單位為瓦(W)或微瓦(uW)。為了計算方便,通常用一個聲功率基準量10-12W作參考量,把聲功率與之相比取常用對數,乘以10,稱為聲功率級,即
             Lw=10lg(W/Wo)
       這里Lw為聲功率級(dB),W為聲功率,Wo為基準聲功率。

       聲強級:
       單位時間內通過垂直于聲傳播方向的面積S(m2)的平均聲能量稱為平均聲能量流或平均聲能通量。單位面積上的平均聲能通量就稱為聲強,記為I (W/m2)。為了計算方便,通常用一個聲強基準量值10-12W/m2作參考量,把聲強與之相比取常用對數,乘以20,稱為聲強級,即
            Li=10lg(I/Io)
       這里Li為聲強級(dB),I為聲強(W/m2),Io為基準聲強。
       
       聲壓級(SPL):
       聲波在媒介中傳播時,媒介某點由于受聲波擾動后壓強超過原先靜壓力的值,取均方根后的值稱為聲壓。人耳在較低聞閥到痛閥之間相差100萬倍,為了計量方便,把聲壓基準值20×10^-6 (N/m^2)作參考量,把聲壓與之相比取常用對數,乘以20,稱為聲壓級,即
            Lp=20lo(P/Po)
       這里Lp為聲壓級(dB),P為聲壓(N/m2或Pa),Po為基準聲壓。
      
       四、聲波的反射、擴散、衍射與干涉
      1.聲波的鏡像反射
      聲波在前進過程中,如果遇到尺寸大于波長的界面,則聲波將被反射。入射角等于反射角。反射的聲能與界面的吸聲系數有關。

      2.聲波的擴散反射
      聲波在傳播的過程中,如果遇到一些凸形的界面,就會被分解成許多較小的反射聲波,并且使傳播的立體角擴大,這種現象稱之為擴散反射。適當的聲波擴散反射,可以促進聲音分布均勻,并可防止一些聲學缺陷的出現。   
     

     
     
    從上圖中可看出,要設計一個好的擴散體需要考慮它的大小和密度。

        3、聲波的衍射
       當聲波波長小于等于障礙物的尺寸時,會繞過去,稱為衍射。

        4、聲波的干涉
       頻率相同的聲波相遇后會產生干涉現象,相位相同的聲波疊加后,幅度倍增,相位相反則抵消。聲波干涉的結果造成頻率響應特性出現峰和谷的波動,其形狀象“梳子”,因此又稱為梳狀濾波器特性(效應)。直達聲和反射聲來自同一聲源,因而頻率相同,由于經過的路徑長短不同,就會產生相位差,從而會產生干涉現象。
     


       五、聲波的吸收與透射
       當聲波從一種介質傳遞到另一種介質時,聲能的一部分被反射;一部分透過物體繼續傳播,稱為透射;另一部分由于物體的振動或聲音在物體內部傳播時介質的磨擦或熱傳導而被損耗,稱為材料的吸收。
     

     

       透射聲能與入射聲能之比稱為透射系數τ。

       反射聲能與入射聲能之比稱為反射系數γ。

       通常將τ值小的材料用作隔聲材料,將γ值小的材料用作吸聲材料。

       定義吸聲系數α=1-γ。
        α=0,入射聲能全部被反射;α=1時,入射聲能全部被吸收。敝開的窗戶吸聲系數為1。
       吸聲系數的大小與頻率相關,通常我們所說的吸聲系數是平均吸聲系數。
    第二章室內聲場
      一、自由聲場與室外聲場
       傳播聲波的空間稱為聲場,聲場分自由聲場、擴散聲場(混響聲場)和半自由聲場。
     


       所謂自由聲場,即在聲波傳播的空間中無反射面,聲源在該聲場中發聲,在聲場中的任一點只有直達聲,無反射聲。消聲室就是人造的自由聲場。電聲設備的都要在消聲室中進行。

     在室外,某點聲源發出的球面聲波,其波陣面連續向外擴張,隨著聲波與聲源距離的增加,聲能迅速衰減。當點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,任何一點上的聲強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。

       二、室內聲場
       在室內,聲波在封閉空間中的傳播及其特性比在露天場合要復雜得多。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。室內聲場因而存在著許多與自由聲場不同的聲學問題。研究室內聲場,對室內音質設計和噪聲控制具有重要的意義。

       室內聲場的特點
        (1)聲波在各個界面引起一系列的反射,吸收與透射;
        (2)與自由聲場有不同的音質;
        (3)由于房間的共振可能引起某些頻率的聲音被加強或減弱;
        (4)聲能的空間分布發生了變化。

       三、房間共振(駐波)
       當聲波在兩面平等的墻之間傳播時,如果墻面之間的距離等于半波長的整數倍時,就會產生駐波。房間中的低頻駐波也稱為房間模式(Room Mode)。

       在一房間中,空氣振動的共振頻率主要由房間的大小來決定。而房間內所激發的共振頻率的分布則決定于房間的比例。共振頻率的計算很復雜,一般都用軟件來計算。
     

      
      小房間(長5m,寬4m,高3m)低頻聲場的仿真:   
     
     
        完整的動畫在這里,http://www.pia-alfa.de/download/moden.avi。頻率從20-100Hz,步長0.5Hz。
       消除駐波的方法是改變房間的形狀,使墻面不平行,或將墻成做成弧形。

       四、混響與回聲
       混響是室內的聲學現象。聲音由聲源發出后,在空氣中傳播,傳播過程中在房間的界面上產生反射、吸收、擴散、透射、干涉和衍射等波動作用,形成復雜的室內聲場,使人產生混響感。聲源停止發聲后,室內聲場會持續一段時間。

       混響是室內聲反射和聲擴散共同作用的結果。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。

       聲源的直達聲和近次反射聲相繼到達人耳,延遲時間小于30ms時,一般人耳不能區分出來,僅能覺察到音色和響度的變化,人們感覺到混響。但當兩個相繼到達的聲音時差超過50ms時(相當于直達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立的聲音,這時有可能出現回聲?;芈暤母杏X會妨礙音樂和語言的清晰度(可懂度),要避免。

       五、混響時間
       當室內聲場達到穩態,聲源停止發聲后,聲壓級降低60dB所需要的時間稱為混響時間,記作T60或RT,單位是秒(s)。
     


       混響時間是目前音質設計中能定量估算的重要評價指標。它直接影響廳堂音質的效果。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。

        Sabine公式,適用于α小于0.2的較活躍的房間:
            
       式中:V為房間容積,單位為m^3(立方米);S為房間表面積的總和,單位為m^2(平方米);α為房間表面積的平均吸聲系數,百分率;Sα的單位為m^2 (平方米)。K為與濕度有關的常數,一般取K=0.161s/m。
          
        Eyring公式,適用于α大于0.2的建聲條件良好的房間:
            

       式中4mV為空氣系數系數值,m為空氣吸聲系數,(它不但與頻率有關,還與溫度和溫度有關)。其它與上式一樣。

     
     
    混響時間的大小與頻率相關,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。
       六、臨界距離(CriticalDistance)
       就是在聲源軸線方向上,直達聲與混響聲聲能相等處的距離。臨界距離在全頻帶內是不同的?;芈曉綇姷姆块g臨界距離越近,吸音越強的房間,臨界距離越遠。(臨界距離在全頻帶內是不同的)。
       

    好的聲學設計,臨界距離要離聲源盡可能遠,結果在全頻帶內混響最小最平坦。直達聲從揚聲器系統開始遞補減,是距離的函數(平方反比定律),但混響恒定地散布房間(新的聲音不斷從揚聲器發出,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。)兩曲線的交點就是臨界距離。

       最佳聽音區一定位于臨界距離內,因為臨界距離是以直達聲為主,清晰度和聲像定位最好。
     

    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。

       當混響聲比直達聲大12db以上,聲音清晰度將全部失去。

       尋找臨界距離的最簡單方法為:用音響系統播放壓縮的流行音樂,開始用一個音箱(左或右),在房間里來回地走,很容易就能找到臨界距離。用另一個音箱重復一遍,再同時用兩個音箱重復一遍。與聲學測量相比較,你會對人耳的精確性感到驚訝。
        ?混響越強的房間臨界距離越近。
        ?吸聲越強的房間臨界距離越遠。
        ?近聲場或直達聲場在臨界距離內。
        ?遠聲場或反射聲場(混響)在臨界距離外。第三章聽音室的基本要求
       聽音室的設計要遵循一些基本的原則:
       一、選擇合適的房間比例、或使墻面不平行、或增加擴散,避免或減輕駐波的影響。
       二、混響時間合適,使臨界距離盡可能遠。
       三、吸收一次反射聲,減輕一次反射聲對直達聲的干涉。
       四、盡量吸聲,如不能使吸聲達到要求,則盡量對反射聲進行擴散,使聲場盡量均勻。

       一個簡單的聲學處理實例如下:

     

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