1、室内声学基础第一章 声音的基本性质一、声音的产生与传播声音是人耳通过听觉神经对空气振动的主观感受。声音产生于物体的振动，例如扬声器的纸盆、拨动的琴弦等等。这些振动的物体称之为声源。声源发声后，必须经过一定的介质才能向外传播。这种介质可以是气体，也可以是液体和固体。在受到声源振动的干扰后，介质的分子也随之发生振动，从而使能量向外传播。但必须指出，介质的分子只是在其未被扰动前的平衡位置附近作来回振动，并没有随声波一起向外移动。介质分子的振动传到人耳时，将引起人耳耳膜的振动，最终通过听觉神经而产生声音的感觉。例如，扬声器的纸盆，当音圈通过交变电流时就会产生振动。这种振动引起邻近空气质点疏密状态的变化
2、，又随即沿着介质依次传向较远的质点，最终到达接收者。可以看出，在声波的传播过程中，空气质点的振动方向与波的传播方向相平行，所以声波是纵波。扬声器纸盒就相当于上图中的活塞。在空气中，声音就是振动在空气中的传播，我们称这为声波。声波可以在气体、固体、液体中传播，但不能在真空中传播。二、声波的频率、波长与速度当声波通过弹性介质传播时，介质质点在其平衡位置附近作来回振动。质点完成一次完全振动所经历的时间称为周期，记为 T，单位是秒(s)。质点在 1 秒内完成完全振动的次数称为频率，记作 f，单位为赫兹(Hz)，它是周期的倒数，即：f=1/T介质质点振动的频率即声源振动的频率。频率决定了声音的音调。高频
3、声音是高音调，低频声音是低音调。人耳能够听到的声波的频率范围约在 2020000Hz 之间。低于 20Hz 的声波称为次声波，高于 20000Hz 的称为超声波。次声波与超声波都不能使人产生听感觉。声波在其传播途径上，相邻两个同相位质点之间的距离称为波长，记为 ，单位是米(m)。或者说，波长是声波在每一次完全振动周期中所传播的距离。声波在弹性介质中传播的速度称为声速，记为 v，单位是米/秒(m/s)。声速不是介质质点振动的速度，而是质点振动状态的传播速度。它的大小与质点振动的特性无关，而与介质的弹性、密度以及温度有关。20 度的空气中声速为 344 米/秒。频率、波长、周期和声速有如下关系：c
4、=f 或 c=/T声学测量中常常在某一频率区间取特定值进行测量。这个频率区间称之为频带（Frequency band）。由上限频率 f2 和下限频率 f1 规定宽带。f1、f2 间隔可以用频率比或以 2 为底的对数表示，称为频程。关系式： f2=2n f1当 n=1 时，称为 1/1 倍频程(Octave)，即每个频带是上限频率为下限频率两倍的频带宽度，即f2=2f1。当 n=1/3 时，称为 1/3 倍频程，即每个频带是上限频率为下限频率 1.26 倍的频带宽度，即f2=1.26 f1。为了某种特殊的需要，更窄的频带有 1/10 倍频程、1/12 倍频程、1/15 倍频程、1/30倍频程等等
5、。1/1 倍频程对应于音乐上的一个八度。在房屋建筑中，频率为 100-10000Hz 的声音很重要。它们的波长范围相当于 3.4-0034m。这个波长范围与建筑内部的一些部件尺度相近，故在处理一些建筑声学问题时，对这一波段的声波尤其要引起重视。三、声功率级、声强级和声压级声功率级：声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能，用 W 表示，单位为瓦(W)或微瓦(uW)。为了计算方便，通常用一个声功率基准量 10-12W 作参考量，把声功率与之相比取常用对数，乘以10，称为声功率级，即:Lw=10lg(W/Wo) 这里 Lw 为声功率级(dB)，W 为声功率， Wo 为基准声功率。声强级：单位时间内
6、通过垂直于声传播方向的面积 S (m2)的平均声能量称为平均声能量流或平均声能通量。单位面积上的平均声能通量就称为声强，记为 I (W/m2)。为了计算方便，通常用一个声强基准量值 10-12W/m2 作参考量，把声强与之相比取常用对数，乘以 20，称为声强级，即:Li=10lg(I/Io) 这里 Li 为声强级(dB)，I 为声强(W/m2)，Io 为基准声强。声压级(SPL)：声波在媒介中传播时，媒介某点由于受声波扰动后压强超过原先静压力的值，取均方根后的值称为声压。人耳在最低闻阀到痛阀之间相差 100 万倍，为了计量方便，把声压基准值 2010-6 (N/m2)作参考量，把声压与之相比取
7、常用对数，乘以 20，称为声压级，即:Lp=20lo(P/Po) 这里 Lp 为声压级(dB)，P 为声压(N/m2 或 Pa)，Po 为基准声压。四、声波的反射、扩散、衍射与干涉1、声波的镜像反射:声波在前进过程中，如果遇到尺寸大于波长的界面，则声波将被反射。入射角等于反射角。反射的声能与界面的吸声系数有关。2、声波的扩散反射:声波在传播的过程中，如果遇到一些凸形的界面，就会被分解成许多较小的反射声波，并且使传播的立体角扩大，这种现象称之为扩散反射。适当的声波扩散反射，可以促进声音分布均匀，并可防止一些声学缺陷的出现。3、声波的衍射:当声波波长小于等于障碍物的尺寸时，会绕过去，称为衍射。4、
8、声波的干涉:频率相同的声波相遇后会产生干涉现象，相位相同的声波叠加后，幅度倍增，相位相反则抵消。声波干涉的结果造成频率响应特性出现峰和谷的波动，其形状象“梳子”，因此又称为梳状滤波器特性(效应)。直达声和反射声来自同一声源，因而频率相同，由于经过的路径长短不同，就会产生相位差，从而会产生干涉现象。五、声波的吸收与透射当声波从一种介质传递到另一种介质时，声能的一部分被反射；一部分透过物体继续传播，称为透射；另一部分由于物体的振动或声音在物体内部传播时介质的磨擦或热传导而被损耗，称为材料的吸收。透射声能与入射声能之比称为透射系数 。反射声能与入射声能之比称为反射系数 。通常将 值小的材料用作隔声材
9、料，将 值小的材料用作吸声材料。定义吸声系数 =1-。 =0，入射声能全部被反射；=1 时，入射声能全部被吸收。敝开的窗户吸声系数为 1。吸声系数的大小与频率相关，通常我们所说的吸声系数是平均吸声系数。第二章 室内声场一、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
10、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
11、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。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
12、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
13、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。Sabine 公式，适用于 小于 0.2 的较活跃的房间：RT60=KVSa 式中：V 为房间容积 ，单位为 m3(立方米）；S 为房间表面积 的总和，单位为 m2(平方米）； 为房间表面积的平均吸声系数，百分率；S 的单位为 m2 (平方 米）。K 为与湿度有关的常数，一般取 K=0.161s/m。Eyring 公式，适用于 大于 0.2 的建声条件良好的房间：
14、RT60=KV-Sln(1-a)+4mV式中 4mV 为空气系数 系数值，m 为空气吸声系数，（它不但与 频率有关，还与温度和温度有关）。其它与上式一样。 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
15、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
16、。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。第三章 听音室的基本要求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。音箱的摆位与声学很多烧友都废尽心思反复调整自己音箱的摆位，以期得到最佳的重放
17、效果。有时效果很好，有时没有效果，有时甚至适得其反。那么，这里面究竟包含着哪些声学道理呢，今天就想与大家探讨探讨。这是声音二次反射的结果，在没有进行有效的声学治理前，二次反射的影响是不可避免的，调整音箱的摆位就是让它的影响尽可能小。调整音箱离侧墙的距离调整音箱离侧墙的距离，就是改变一次声（直达声）与二次声之间的时间差（相位差）。于是，在听音位，一、二次声相互干涉的情况就会发生改变，使频响曲线峰谷位置发生变化。这主要影响中、高频，通过调整，可使左右声道频响曲线尽可能接近，结果是声像定位更稳定、准确。这个距离是以厘米计的。调整音箱与前墙的距离对于低音重放，有许多似是而非的观点，让人无所适从。我们还
18、是从声学上来探究一下吧。低音波长很长，无方向性，低频声音的干涉就在所难免，有专家就提出了低频凹陷的问题，使我们茅塞顿开。扬声器箱附近界面反射所涉及的凹陷频率和最小距离扬声器辐射直达声与坚硬面反射干涉致使距离在 14 波长对应频率扬声器辐射频响产生明显的凹陷,两个解决方向: 扬声器箱安置原则 1:距离所有坚硬反射面在最小距离以外. 扬声器箱安置原则 2:使扬声器处在半空间(14)状态.室内界面反射使辐射频响变化 不难注意到,如果扬声器附近有坚实的墙面或地面它们的反射声与扬声器辐射的声波相叠加,将不可避免地发生梳状频响状的干扰现象,特别在某个低频点将产生巨大频响凹陷. 此低频凹陷频率,就是声波反射
19、回来到扬声器辐射面正好是半个波长的频率,也即反射面距扬声器辐射面四分之一波长所对应的频率. 因此,希望低频凹陷频率下移到有效频段以下,则必须将扬声器远离墙面和地面,或者说, 墙面要远离扬声器,这也就意味着重放房间要足够大!而真力（Genelec）公司对些作了详细的分析，并给出了详细的计算公式，国内也有人进行了实测，证明情况确实如此。我为什么得不到足够的低音因此，为避免低频凹陷，必须使音箱离墙保护必须的距离。根据上面中表格，可找出要获得的最低频率所需最小离墙距离。有此可见，调整音箱离前墙的距离，就是调整低音的响应，而这个距离是比较大的，一厘米一厘米调整是白费劲。如果你的听音室太小，而你又想获得很
20、低的低音，那就只有一个办法，就是将音箱嵌入墙，使墙壁成为音箱障板的一部分，近似为无限障板，获得最佳低音重放。参见一间极具吸引力的听音室,理想是音箱摆位是这样的：图中右半部分各种各样的低频陷阱1/4 波长低频陷阱对于低频吸收，已开发出了许多巧妙的设计。 起初，低频陷阱被认为不过是“大的绒毛球”、堆在天花板背后的玻璃纤维绝缘或棉絮。这样的系统很“丑” ，布满了平纹织物。但它能提供四倍于填充深度波长的频率吸收，一个 3 英尺深的绒毛陷阱有效的波长是 12 英尺，约 94 Hz。数字录音带能记录非常低的频率，需要根据要衰减的基本房间模式来计算深度。计算：第一模式深度 =1/4 波长 =1/4 (2L)
21、 = 1/2L = 1/2 长度一个 24 英尺的房间需要低频陷阱深度约 12 英尺。要将一半的房间作为低频陷阱，对大多数人来说不是一个好的选择！另一种方法是将房间后面储藏室的门换成绒毛织物，并在内部填充玻璃纤维。1/4 波长陷阱系统的频率响应曲线显示，对第一、第三和第四次谐波强吸收，因为空气摩擦发生在“声音抵消 ”点，或最大空气运动通常在离陷阱墙 1/4 和 3/4 波长处。条板低频陷阱(SLAT BASS TRAPS)吸声的基本机制是当空气通过一个表面时会产生摩擦。表面越大、空气运动越多，吸声越好。但体量巨大的低频陷阱在较小的家庭录音室是无法让人接受的。另一个问题是导致听音环境不舒服和令人
22、心烦，因为它是消声的或声音太“死”。因此，大多数陷阱都用木条板，有点象栅栏。这样的系统的频率响应更合意，因为中、高频保持活跃，低频仍能衰减。较长的波长容易通过条板间的开口，但波长小于四倍的条板宽度时，声音被散射回来。薄板陷阱(MEMBRANE TRAPS)低频吸声，认为需要结合中高频的反向散射，已经有很长时间了。有一个不同的方案早就开发出来了，在四十年前就成为录音室设计的标准。薄板陷阱利用薄夹板，通常 1/8 英寸，围绕房间四周弯曲做成曲面序列。薄板与墙间气隙从数英寸到数英尺，内铺吸声材料。此技术吸收低频的同时有一个重要的优点，连续的曲面能使中、主频扩散。使用薄板陷阱的房间活跃、扩散，有良好的
23、阻尼。此技术的效率最多只有 50%，这意味着需要双倍的表面积，但我们最终也获得双倍的扩散声能量。总之，这是合理的交换。这些房间花费很大，但也不会超过做一把巨大声学吉它的代价。它们的凹曲面部分产生局部声聚焦，会使话筒的设置变得困难，特别是在小录音室。周界陷阱(PERIMETER TRAPS)另一种大房间声学已用在控制室，就是沿着墙铺一排排的轻质绝缘材料，但与墙成倾角，再在房间四周离墙二三英尺的地方挂上吸音棉帘子。此技术声学上舒适、稳定。因为整个房间变成了一个“绒毛球” ，始终能均匀消耗最深的低频能量。绒毛墙的深度根据某个有问题模式的动能区的位置而变化。房间的实际容积是看到的房间的两倍。它相当于一
24、个中量级消声学。压力区陷阱(PRESSURE ZONE TRAPS)这是角落里使用的压力区陷阱另一个深度低频吸收版本利用了声音压力区的概念。用在波长陷阱的玻璃纤维棉压缩十到二十倍成为玻璃纤维板(通常称为 703)。此板安放到离墙若干英寸，成为非常有效的声陷阱。 主要的困难在于当空气进出时抑制玻璃纤维的振动，当玻璃纤维的 fiat 板移动时，它短路了低频陷阱。它的频率响应曲线参差不齐，一些频率吸收而其它地方又不是。此陷阱设计也可以用间隔的条板来做，反向散射中、高频，进一步加强与墙的支撑可以提高吸声效率。要条板/压力区陷阱中常见错误是条板最贴着玻璃纤维，这会抑制陷阱的低频呼吸能力。在条板和玻璃纤维
25、表面至少要保持英寸的空隙。压力区陷阱与所提到的陷阱相比是不同类型的声音陷阱，它使用集中参数声学，而典型的绒毛听声型使用分布参数声学。集中参数设备设计象用分立电阻、电容、电感组成的电子电路，可做得非常小；分布式声学设备使用波导近似设计，大小取决于声音波长。例如，排箫(波长 )和一个汽水瓶(集中参数)可以发出同样高音调和同样响的声音，但排箫要比汽水瓶长好几倍。改进的 1/4 波长陷阱(IMPROVED QUARTER -WAVELENGTH TRAPS)不用蓬松的玻璃纤维棉，而是固定它，把它粘在声音板的表面，然后用线悬挂在壁橱中。频率响应曲线与“绒毛球”1/4 波长陷阱相同。玻璃纤维不必放在外面，
26、因此陷阱可保持工作好多年。交感共振陷阱(SYMPATHETIC RESONANCE TRAPS)交感共振器或面板陷阱是吸声板和玻缡纤维陷阱的的近亲。通常挂在空中，它们通过调整大小和增长长度来调谐。特征频率设置为共振运动，入射声能转化为面板振动能量。能量消耗发生在空气进出面板的表面，它固有的内损耗也阻尼它的运动。这些面板的大小必须是 1/4 波长，否则不会与声波交互感应。一个正确调谐的 8 乘 8 面板作用在 40Hz。要取得最佳效果，面板平面必须朝着波阵面。实际房间中使用也受到大小的限制。亥姆霍兹陷阱(HELMHOLTZ TRAP)最经典的声陷是亥姆霍兹陷阱，名字源于伟大的、过去的德国声学家。从概念上说，亥姆霍兹陷阱与内部塞满棉絮的水壶没有区别。它外表通常象 1/4 英寸吸声板 ，后面有 1-3 英寸气隙，塞有轻质的建筑绝缘材料。这类吸声器吸声曲线显示强烈的频率选择性，这类陷阱的使用有两个困难：
