第11章---室内声学

1、第10章 课后练习,3、80dB的声强级和80dB的声压级是否是一回事？用数学计算进行证明。,第10章 课后练习,4、试证明在自由场中，Lp=Lw-20lgr-11，式中Lw为声源的声功率级，Lp为距离声源r米处的声压级。,第10章 课后练习,5、验证中心频率为250、500、1000、2000Hz倍频带和1/3倍频带的上界和下界频率。,第10章 课后练习,7、要求距离广场上的扬声器40m远处的直达声声压级不小于80dB，若把扬声器看成是一个点声源，它的声功率应为多少？声功率级为多少？,王玲续,第11章 室内声学原理,主要内容,室内声学基本特征 室内声学的目的 室内声

2、场的分析方法 室内稳态声场 房间内声场的衰减与混响时间 房间共振 音质设计的一般要求,室内声学基本特征,室外某一声源发生的声波 条件：a. 球面波 b. 连续振动 随着r的增加，声能迅速衰减。 在无阻挡状况下，声音可近似于无限远处传播。接收点的声能密度与声源距离r的平方成反比。 r增加1倍，声压级Lp衰减6dB,室内声学基本特征,在无反射面的空中： Lp=Lw-10lg(1/4r2) (dB) Lp空间某点的声压级，dB Lw声源的声功率级，dB r 测点与声源的距离， m 上式可改写为： Lp=Lw-20lgr-11 (dB) 在存在地面反射的情况下， Lp=Lw-20lgr-8 (dB),

3、室内声学基本特征,室内声场定义 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、顶棚、地面等）的反射与吸收，声波相互重叠，形成复杂声场，并引起一系列特有声学特征。,室内声学基本特征,室内声场特点 a. 距声源有一定距离的接收点上，声能密度 比在自由声场中大，常常不随距离的平方 衰减。（不满足Lp=Lw-10lg(1/4r2) ） b. 在声源停止发生后的一定时间里，声场还 存在着来自各个界面的迟到的反射声，产 生“混响现象”。,室内声学基本特征,室内声场干扰源 a. 房间共振（引起室内某些频率声音的加强或减弱） b. 房间形状（形成回声、颤动回声等

4、现象） c. 室内装修材料与布置（形成回声、颤动回声等现象）,室内声学的目的,室内声学研究主要目的： a. 控制房间形状 b. 控制房间吸声 反射材料在室内的应用与布置 c. 创造良好的听闻环境,室内声场的分析方法,房间对声音的影响主要表现在以下四个方面： 引起反射声 改变音质 由于简振波的激发，增加声能密度 使声音在空间的分布发生变化,室内声场的分析方法,波动声学 几何声学 统计声学,室内声场的分析方法,几何声学方法： 使用条件：反射面或障碍物的尺寸要远大于声波的波长。,室内声场的分析方法,当声波的频率较高，即声波的波长小于房间中反射面的尺度时，可以用几何光学中光线的概念把声波的传播看做沿声

5、线传播的声能，而忽略声波的波动性能，这是几何声学的方法。,室内声场的分析方法,由于房间各表面对声音反射时还要吸收一部分声能，因此，反射声随反射次数的增多，强度将逐渐减弱。此外，反射声到达人耳处的路程要长于直达声，因而反射声到达听声人处的时间要滞后于直达声，反射次数越多的声音，滞后的时间也就越长。,室内声场的分析方法,注意一 对于低频声，63Hz - 125Hz，波长为5.4m - 2.7m。 在一个各个表面尺寸均小于声波波长的小房间内，几何反射定律将不适用。 此外，当声波在大房间内遇到小尺度的障碍物，或尺寸较小的反射板时，将产生弯曲，即形成明显的声衍射，但不会造成明显的扩散反射。,室内声场的分

6、析方法,注意二 对于中频声：500Hz-1000Hz，波长范围68cm-34cm。 当遇到大的天花板和墙壁时，仍然遵循几何定律。 但遇到与声波波长相近的构件和装修处理时，则要形成扩散反射。,室内声场的分析方法,注意三 对于高频声：2000Hz-8000Hz，波长范围17cm-4cm。 这时大部分室内构件将会形成明显的声影。 此外，一般的天花板与墙面仍会遵循几何反射定律。,室内稳态声场,室内声的组成： 直达声 近次反射声 混响声,室内稳态声场,直达声： 由声源直接到达接收点的声音。直达声的声强基本上按照与声源距离的平方成反比而衰减。 近次反射声： 一般是指在直达声之后相对延迟时间为50ms内到达

7、的反射声。近次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反射声对音质有很大影响。,室内稳态声场,混响声： 在近次反射声后陆续到达的，经过多次反射的声音统称为混响声。在声场，混响声的声强对于该接收点的声音强度起决定作用，而其衰减率的大小对音质有重要影响。 回声： 直达声与第一次反射声之间，或者相继到达的两个反射声之间在时间上相差50ms以上，而反射声的强度又足够大，使听着能明显分辨出两个声音的存在。,室内稳态声场,室内稳态声场的几个特征 房间内的声能密度达到了稳定状态，形成了稳定声场。 当声源发出的声功率与在房间内被吸收掉的声功率相等时，房间内的声能保持一定。,室内稳态声场,直达声场

8、 ： 由声源直接传到接收点的直达声所形成的声场 。直达声场是自由声场。 距点声源距离r 处与直达声相对应的声压级为,室内稳态声场,混响声场： 经过室内表面反射后到达接收点的反射声所形成的声场，称为混响声场 。混响声场近似看作是扩散声场 。 与混响声场对应的声压级 R为房间常数： 平均吸声系数可表示为：,室内稳态声场,若同时考虑空气吸收，壁面与空气同时吸声时的等效吸声系数： M为声强衰减系数 V为房间体积 在通常情况下，当频率不太高，并且房间几何尺寸不很大时，空气吸收可以忽略， 而当频率很高（2kHz），且V/S也相当大时，空气吸收的影响不容忽略。,室内稳态声场,把直达声与混响声场叠加在一起，就

9、得到实际的总声场。 在空气中，总声场的声压级为 ： 其中声源声功率Lw是由扬声器性能给定的,室内稳态声场,注意： 离声源比较近时，直达声占主要地位； 当离声源中心的距离逐渐增大时，房间的影响相对增强； 当距离增加到一定程度时，房间内的混响声场转化为占主要地位。,室内稳态声场,室内稳态声场,由直达声场为主转化为以混响声场为主时，这个转折点离声源中心的距离r0叫做自由场半径、混响半径，有时也叫做临界距离。 以直达声为主 以混响声为主 直达声场与混响声场相等,室内稳态声场,临界距离（混响半径） 混响半径与声源指向性因子和房间常数R的平方根成正比 要提高房间的清晰度，一方面可以通过选用方向性较强即指向

10、性因子值大的扬声器来增大房间的混响半径； 另一方面可以通过增加房间吸声即增加房间常数R的方法，增大房间的混响半径，从而提高清晰度。,房间内声场的衰减与混响时间,声源在室内发声，其声场的变化可分为三个过程。 a. 声音逐渐增大的增长过程 b. 然后声音达到稳定状态 c. 当房间内声场达到稳态后，突然关闭声源，房间内的声源并不立即消失，而要持续一段时间，有一个逐渐减小的过程，或叫声音的衰减过程。 这种声音的延续现象叫混响,房间内声场的衰减与混响时间,混响时间（描述室内声音衰减快慢的程度） 在扩散声场中，当声源停止后，从初始的声压级减低60dB（相当于平均声能密度降为原始值的百万分之一）所需的时间

11、。,房间内声场的衰减与混响时间,19世纪末，赛宾（Sabine）在进行大量吸声试验的基础上，提出了室内混响理论。 他首先从试验中获得了混响时间的计算公式，可以表示为： 赛宾公式：,房间内声场的衰减与混响时间,其中A为房间吸声量： 平均吸声系数可表示为：,房间内声场的衰减与混响时间,赛宾公式适用条件： 赛宾公式只适用于当室内平均吸声系数较小的情况，满足 时，有： 现在普遍采用的是伊林（Erying）公式,房间内声场的衰减与混响时间,例如，房间尺寸为20mx10mx5m，平均吸声系数为0.2，求混响时间T60。,房间内声场的衰减与混响时间,例如，房间尺寸为20mx10mx5m，平均吸声系数为0.2

12、，求混响时间T60。 解：V=20 x10 x5 =1000m3 S=20 x10 x2+10 x5x2+20 x5x2 =700m2 根据公式T=0.161V/S ln(1-a) 可得 T60=0.161x1000/700 xln(1-0.2) =1.03 s,房间共振,房间共振与声染色 声源发声，激发房间某些固有频率（或称简正频率）的声音，即出现共振，声源中的某些频率被特别的加强，从而出现“声染色”现象。,房间共振,驻波原理 驻波的特点不是振动的传播，而是媒质中各质点都做稳定的振动。,房间共振,如果两平行面间的距离为l，产生轴向共振的条件为： 由此可得出相应之轴向共振频率为 切向共振 斜向

13、共振,房间共振,在一矩形房间内，计算房间共振频率（包括轴向、切向、斜向三种共振）的普遍公式为：,房间共振,在已知房间尺寸的矩形房间内，由最低共振频率至任一频率 的范围内，该房间的共振频率总数 N 由下式确定： 在 范围内简正振动的总数,房间共振,简正频率“简并化” 不同的简正波具有相同的简正频率。 简并化的结果，很可能在某一频率范围内没有简正频率，而在另一频率范围内却有很多简振频率，造成简正频率分布不均，从而使声场起伏较大，分布不均。,房间共振,简正频率 是房间做自由振动的固有频率，因此当房间中声源的激发频率与房间中某一固有频率一致时，房间就会产生共振。简正频率分布密集均匀就表示房间的传输频率

14、特性均匀，否则就表示频率特性不均匀。,房间共振,从简正波的角度考虑，要使房间的声学性质较优良就应该保证以下3个方面： a. 简正方式要尽可能的多； b. 各简正频率尽可能均匀地分布在所需频 率范围内，应尽量避免简并化； c. 各类简正波的混响时间要尽可能地相同。,影响房间共振的因素,a. 声源以及声源与传声器的位置关系。 b. 房间体积以及长、宽、高比例。 （因此，选择房间的长、宽、高的比值为无理数时，可以克服共振频率的简并化） c. 室内表面的处理。,音质设计的一般要求,合适的响度 a. 声源的能量 b. 观众厅的容积 c. 房间的体形与吸声状况 d. 适合要求的允许噪声级 e. 扩声系统的考虑,音质设计的一般步骤,1、选择房间的尺寸 房间的尺寸大小要保证整个室内都有足够的响度。若房间过大，传到远处的能量过小，就必须考虑用电声。 房间的尺寸也决定混响时间。混响时间与房间容积大体上是呈现正比关系，与吸声量成反比关系。满场的混响时间不要太低于空场的混响时间。 此外，房间的大小还要使听众不要离舞台太远，在视觉上产生隔离感，并会使视觉与听觉脱节。,音质设计的一般步骤,2、房间体形设计 为了充分利用有效声能，避免音质缺陷，需要对房间的体形进行设计。 常见的房间形状一般有矩形、扇面形、马蹄形等。顶棚也有平面、多面形或圆穹形等。 房间的体形设计要注意的是：使直达声都能到达每个听众坐席。因此