声学知识

室内声学知识-影响吸声降噪效果的一些因素

一、室内声源情况对吸声降噪效果的影响

如果室内分布多个声源，室内各处的直达声都很强，吸声效果就比较差，往往只能降低3-4dB。尽管降低量有限，但减少了混响声，室内工作人员的主观上消除了噪声来自四面八方的混乱感，反映较好。吸声处理对于声源距离近的位置效果差，对于声源距离远的位置效果好，对传到室外的噪声降低效果也很明显。

二、吸声降噪效果与房间形状、尺寸、吸声位置有关

如果房间容积很大，人们的活动区域靠近声源，直达声占主导地位，此时吸声效果差。容积较小的房间，声音在天花和墙壁上反射多次后与直达声混合，反射声多，此时吸声处理效果就明显。经验表明，3000m3以下的房间吸声降噪效果好，更大的房间，吸声效果不理想。不过，若房间体型瘦长，顶棚低，房间长度大于高宽的5倍以上，由于声音的反射类似与在管道中爬行，吸声处理的降噪效果也较好。

三、 吸声材料的频谱特性应与噪声源的频谱特性相适应

应针对声源的频谱特性选择吸声材料，吸声材料的频谱应与噪声源的频谱特性匹配。高频噪声大用高频吸声多的材料，低频噪声大用低频吸声多的材料。如使用穿孔共振吸声材料，最好使吸声频率峰值与噪声频率最大值相对应，若噪声在中高频存在峰值，这样处理的降噪效果就非常显著。

室内声学知识-驻波（standing wave）

频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波。

例如，如图所示，一弦线的一端与音叉一臂相连，另一端经支点O并跨过滑轮后与一重物相连。 音叉振动后在弦线上产生一自左向右传 播 的行波，传到支点 O 后发生反射，弦线中产生一自右向左传播的反射波，当弦长接近1／2波长的整数倍时。两列波叠加后弦线上各点的位移为（设音叉振动规律为u＝Acosωt） u（x，t）＝2Asin（x）sin（ ωt ）＝A（x）sin（ωt），弦线上每个固定的点均作简 谐运动，但不同点的振 幅不同，由x值决定。振幅为零的点称为波节，振幅最大处称为波腹。波节两侧的振动相位相反。相邻两波节或波腹间的距离都是半个波长。在行波中能量随波的传播而不断向前传递，其平均能流密度不为零；但驻波的平均能流密度等于零，能量只能在波节与波腹间来回运行。

由於节点静止不动，所以波形没有传播。能量以动能和位能的形式交换储存，亦传播不出去。

测量两相邻波节间的距离就可测定波长。各种乐器，包括弦乐器、管乐器和打击乐器，都是由于产生驻波而发声。为得到最强的驻波， 弦或管内空气柱的长度L必须等于半波长的整数倍，即，k为整数，λ为波长 。因而弦或管中能存在的驻波波长为，相应的振动频率为，υ为波速。k＝1时，称为基频，除基频外，还可存在频率为kn1的倍频。

入射波（推进波）与反射波相互干扰而形成的波形不再推进（仅波腹上、下振动，波节不移动）的波浪，称驻波。驻波多发生在海岸陡壁或直立式水工建筑物前面。紧靠陡壁附近的海水面随时间虽作周期性升降，海水呈往复流动，但并不向前传播，水面基本上是水平的，这就是由于受岸壁的限制使入射波与反射波相互干扰而形成的。波面随时间作周期性的升降，每隔半个波长就有一个波面升降幅度为最大的断面，称为波腹；当波面升降的幅度为0时的断面，称为波节。相邻两波节间的水平距离仍为半个波长，因此驻波的波面包含一系列的波腹和波节，腹节相间，波腹处的波面的高低虽有周期性变化，但此断面的水平位置是固定的，波节的位置也是固定的。这与进行波的波峰、波谷沿水平方向移动的现象正好相反，驻波的形状不传播，故名驻波。当波面处于最高和最低位置时，质点的水平速度为零，波面的升降速度也为零；当波面处于水平位置时，流速的绝对值最大，波面的升降也最快，这是驻波运动独有的特性。

室内声学知识-声音强弱的计量

声波是能量的一种传播形式。人们常谈到声音的大小或强弱，或一个声音比另一个声音响或不响，这就提出了声音强弱的计量。

1.1 声功率、声强、声压

1、声功率：单位时间内物体向外辐射的能量W。（瓦或微瓦）

声功率是声源本身的一种重要属性。

人正常讲话——50?W,100万人同时讲话50W,相当于一个灯泡。

训练有素的歌手——5000~10000 ?W。

汽车喇叭——0.1 W,喷气飞机——10KW。

在厅堂设计中如何充分利用有限的声功率是很重要的问题。

2、声强：单位时间内通过声波传播方向垂直单位面积上的声能。

对于点声源有：

3、声压：指在某一瞬时压强相对于无声波时的压强变化（改变量）。符号P。单位N/m 2 (牛顿/米2 )，或Pa(帕斯卡）

声压和声强有密切的关系，在自由声场中，测得声压和已知测点到声源的距离，就可计算出该测点之声强和声源的声功率。

2.2声压级、声功率级及其叠加

由于以下两个原因，实际应用中，表示声音强弱的单位并不采用声压或声功率的绝对值，而采用相对单位——级（类似于风级、地震级）

1）声压对人耳感觉的变化非常大（人耳能感受到声压范围较宽）1000Hz的声音，听觉下限Po=2*10-5N/m2,上限P=20N/m2,相差106倍。

2）人耳对声音强弱的变化的感受并不与声压成正比，而与声压的对数成正比，两个同样的声源放在一起，感觉并不是响一倍。

1、声压级Lp

取参考声压为Po=2*10-5N/m2为基准声压，任一声压P的Lp为：

听觉下限： p=2*10-5N/m2 为0dB

能量提高100倍的 P=2*10-3N/m2 为20dB

听觉上限： P=20N/m2 为120dB

2、声功率级Lw

取Wo为10-12W,基准声功率级

任一声功率W的声功率级Lw为：

室内声学知识-声音的频谱与声源的指向性

1 声音的频谱

傅立叶理论及现代信号处理技术证明：

理论上，任何振动的波形都可以分解为若干单频简谐振动的合成。

表征声音的物理量：除声压级与频率外，还有各个频率的声压级的综合量，即声音的频谱。频谱通常以频率为横坐标，声压级为纵坐标的频谱图表示

频谱——表示某种声音 频率成分及其声压级组成情况的图形

复合声不仅需要知道总声级的大小，而且要分析频率的组成成分。在噪声控制中，要了解噪声的那些频率是比较突出的，先降低或消除这些高频率

分立谱：如弦振动产生的声音。（线状谱如小提琴，一个单一频率的简谐声信号---纯音

连续谱：谈话、机器设备发出的噪声，大多的自然声。

在通常的声学测量中，不是逐个测量声音的频率，而是将声音的频率范围划分成若干个区段，成为“频带”。每一个频带有一个下界频率f1和上界频率f2 ,而△f= f2 -f1 成为“带宽”。 f1 和 f2 的几何平均称为频带中心频率

在建筑声学中，频带划分的方式通常不是在线性标度的频率轴上等距离的划分频带，而是以各频率的频程数n都相等来划分。

如何获得声音的频谱：

使用带通滤波器进行测量或使用傅立叶数学分解。

频谱通常根据需要分成若干个频带，带宽（Band)可宽可窄，是人为取定的。最常用的有倍频带和1/3倍频带。

在进行声音计量和频谱表示时，往往使用中心频率作为频带的代表，声压级值使用整个频带声压级的叠加。

倍频程：通常将可闻频率范围内20~20KHz分为十个倍频带，其中心频率按2倍增长，共十一个，为：

16 31.5 63 125 500 1K 2K 4K 8K 16K

1/3倍频程：将倍频程再分成三个更窄的频带，使频率划分更加细化，其中心频率按倍频的1/3增长，为：

12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160

2 声源的指向性

?声源发出的声音在各个方向上分布不均匀，具有指向性。

?声源尺寸比波长小得多时，可看作点声源，无指向性。

?声源尺寸比波长差不多或更大时，声源不再是点声源，出现指向性。声源尺寸比波长大的越多，指向性就越强。人们使用喇叭，目的是为了增加指向性。

?频率越高，指向性越强；指向性越强，则直达声声能越集中于声源轴线附近。

室内声学知识-人耳的主观听觉特性

1 听觉范围

最高最低频率可听极限

一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。

?最小最大可听极限

人耳有一定的适应性，常人上限为120dB,经常噪声暴露的人有可能达到135~140dB。下限频率与频率有关。

?最小可辩阈（差阈）

声压级变化的察觉：一般是1dB,3dB以上有明显感觉

频率变化的察觉：一般是3%，低频时3Hz。

2 听觉定位

?人耳判断声源的远近比较差，但确定声源的方向比较准确。

?人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对时间差和强度差进行判断。（有声源发出的声波到达两耳可以产生时间差和强度差）

?人耳的水平方向感要强于竖直方向感。

?通常，频率高于1400Hz强度差起主要作用；低于1400Hz时，时间差起主要作用。这就是人为什么对蚊子的定位比较准而对电话铃声的定位比较差的原因。

3 哈斯(Hass)效应

?人耳有声觉暂留现象（就像人眼视觉暂留：20ms以内连续），人对声音的感觉在声音消失后会暂留一小段时间。

?如果到达人耳的两个声音的时间间隔小于50ms，那么就不会觉得声音是断续的。

?直达声到达后50ms以内到达的反射声会加强直达声。直达声到达后50ms后到达的“强”反射声会产生“回声”——哈斯效应。

?

?根据哈斯效应，人耳在多声源发声内容相同的情况下，判断声源位置主要是根据“第一次到达”的声音。因此，剧场演出时，多扬声器的情况下要考虑“声象定位”的问题。

?

4 掩蔽效应

?人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应。

?一个声音高于另一个声音10dB,掩蔽效应就很小。

?低频声对高频声的掩蔽作用大。

5 人耳频率响应与等响曲线

?人耳对不同频率的声音敏感程度是不一样的，对于低于1000Hz和高于4000Hz的声音，灵敏度降低。

?

?不同频率，相同声压级的声音，人听起来的响度感觉不一样。

?

?以1000Hz连续纯音作基准，测听起来和它同样响的其他频率的纯音的各自声压级构成一条曲线叫“等响曲线”。

?响度单位是“方”。

?随着声压级的提高，人耳对频率的相对敏感度也不同

声压级高，相对变化感觉小；

声压级低，相对变化感觉大。

40方等响

20 31.5 63 125 250 500 1K 2K 4k 8k

87dB 75dB 58dB 45dB 43dB 42dB 40dB 36dB 32dB 48dB

声级

?线性声级（L声级）

将各个频带的声音级叠加，得到线性声级。

20 31.5 63 125 250 500 1k 2k 4k 8k 16k 20k L生级

30db 35db 40db 45db 50db 51db 52db 52db 52db 40db 38db 30db 58.8db

对于复合声，不能使用纯音等响曲线，其响度级需通过计算求得。目前在测量声音响度级与声压级时所使用的仪器称为“声级计”。

在声级计中设有A、B、C三个计权网络，这三个计权网络大致是参考几条等响曲线而设计的。他们与相应的曲线是倒置关系：

A计权网络是参考40方等响曲线，对500HZ以下的声音有较大的衰减，以模仿人耳对低频不敏感的特性。

C计权网络具有接近线性的较平坦的特性，在整个可听范围内几乎不衰减，以模仿人耳对85方以上的听觉响应，可代表 总声压级。

A、B、C、D计权网络

A:模拟人耳响应，40方等响曲线作为计权网络。

B:以70方等响曲线作为计权网络，低频衰减比A声级小。

C:以85方等响曲线作为计权网络,整个可听范围内衰减小。

D:主要用于航空噪声测量。

室内声学知识-声音的基本性质

声音产生于振动;如人的讲话有声带振动引起，扬声 器发声是由扬声器膜片的振动产生的。

振动的物体是声源。声源在空气中振动时，使邻近的空气随之产生振动并以波动的方式向四周传播开来，当传到人耳时，引起耳膜产生振动，最后通过听觉神经产生声音感觉。

“声”由声源发出，“音”在传播介质中向外传播。

1.1 声音的产生 和传播

在空气中，声源的振动引起空气质点间压力的变化，密集（正压）稀疏（负压）交替变化传播开去，形成波动即声波。

1.2 频率、波长与声速

?描述声音的基本物理量

?f：频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）

?：波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位没m(米)

声波完成一次振动所走的距离。

C：声速，声波在某一介质中传播的速度。单位m/s。

在空气中声速：

在0℃时，C钢=5000m/s, C水=1450m/s

在15C时，C空气=340m/s

参数间存在如下关系：c=f* ? 或 ?=c/f

人耳可听频率范围为20Hz~20KHz, <20Hz为次声，>20KHz为超声

其中，人耳感觉最重要的部分约在100Hz~4000Hz,相应的波长约3.4m~8.5cm

1.3 声波的绕射、反射和散射

波阵面：声波从声源发出，在某一介质内按一定方向传播，在某一时间到达空间各点的包络面称为波阵面。

球面波：波阵面为球面的点声源发出的波，声线与波阵面垂直。如人、乐器。

平面波：波阵面为平面的波，声源互相平行，如线声源，多个点声源叠排。如马路上并排行驶的汽车。平面波的声能在传播过程中不聚集、不离散，声强不变

点声源发出的球面波，距离每增加一倍，声压级衰减6dB。

声波的绕射

声波在传播过程中遇到障碍或孔洞时将发生绕射。绕射的情况与声波的波长和障碍物（或孔）的尺寸有关。与原来的波形无关。

能绕到障碍物的背后改变原来的传播方向继续传播。如古语“只闻其声不见其人”“隔墙有耳”

声波的反射

当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍时，声波将被反射。类似于光在镜子上的反射。

反射的规则：1）入射线、反射线法线在同一侧。

2）入射线和反射线分别在法线两侧。

3）入射角等于反射角。Li=L?

散射

当障碍物的尺寸与声波相当时，将不会形成定向反射，而以障碍物为一子波源，形成散射。

1.4 声波的透射与吸收

?声波具有能量，简称声能。

?当声波碰到室内某一界面后（如天花、墙），一部分声能被反射，一部分被吸收（主要是转化成热能），一部分穿透到另一空间。

透射系数：

反射系数：

吸声系数：

不同材料，不同的构造对声音具有不同的性能。在隔声中希望用透射系数小的材料防止噪声。在音质设计中需要选择吸声材料，控制室内声场。

室内声学知识-声能比和等效混响、回声

混响在主观感觉上还与一个物理量有关：等效混响。

等效混响时间的存在，要求我们在舞台扩音与录音时要充分考虑其影响，因此，我们建议，对大型乐队、歌剧的舞台扩音或录音应采用整体式远场拾音，不宜采用多点式近场拾音，传声器的指向性不可太锐，以充分拾取到剧场空间自然混响声，使音乐更趋于丰满、自然。

回声与混响是有区别的。

混响在英文中是Reverberation，是指声音经过多次往复漫反射，包含多个不同角度、不同时间到达的混合反射声逐渐衰减形成，听者分辨不出其中的任何音节。

而回声是一种单一固定的反射声，它的强度和时差都大到足以和直达声区别开，并能分辨出音节。回声的英文名称是Echo。

一定的混响对音质有利，而回声则只能破坏音质，应绝对避免。

消除回声的方法是进行声扩散处理。

室内声学知识-影响多孔吸声材料吸声系数的因素

多孔吸声材料对声音中高频有较好的吸声性能。影响多孔吸声材料吸声特性的因素主要有：材料的厚度、密度、孔隙率、结构因子和空气流阻等。

? 密度：每立方米材料的重量。

? 孔隙率：材料中孔隙体积和材料总体积之比。

? 结构因子：反映多孔材料内部纤维或颗粒排列的情况，是衡量材料微孔或狭缝分布情况的物理量。

? 空气流阻：单位厚度时，材料两边空气气压和空气流速之比，反映空气通过多孔阻力的大小。空气 流阻是影响多孔吸声材料最重要的因素。流阻太小，说明材料稀疏，空气振动容易穿过，吸声性能下降；流阻太大，说明材料密实，空气振动难于传入，吸声性能亦下降。因此，多孔材料存在最佳流阻。 在实际工程中，测定空气流阻比较困难，但可以通过厚度和容重粗略估计和控制（对于玻璃棉，较理想的吸声容重是12-48Kg/m3,特殊情况使用100Kg/m3或更高）

1、随着厚度增加，中低频吸声系数显著地增加，但高频变化不大（多孔吸声材料对高频总有较大的吸收）。

2、厚度不变，容重增加，中低频吸声系数亦增加；但当容重增加到一定程度时，材料变得密实，流阻大于最佳流阻，吸声系数反而下降。

3、多孔吸声材料的吸声性能还与安装条件有着密切的关系。当多孔吸声材料背后有空腔时，与该空气层用同样的材料填满的效果类似。尤其是中低频吸声性能比材料实贴在硬底面上会有较大提高，吸声系数将随空气层的厚度增加而增加，但增加到一定值后效果就不明显了。

4、使用不同容重的玻璃棉叠和在一起，形成容重逐渐增大的形式，可以获得更大的吸声效果。

5、多孔吸声材料表面附加有一定透声作用的饰面，如厚度小于0.05mm的塑料薄膜、金属网、窗纱、防火布、玻璃丝布等，基本可以保持原来材料的吸声特性。

使用穿孔面材时，穿孔率须大于20%，若材料的透气性差时，如塑料薄膜，高频吸声特性可能下降。低频吸声系数将有所提高。膜越薄、穿孔率与大，影响越小。

6、高温、高湿会影响材料的吸声性能。是由于吸湿吸水后，材料中孔隙减少。首先使高频吸声系数降低，随含湿量的增加，其影响的频率范围将进一步扩大。

室内声学知识-音质设计的方法与步骤

对音质的主观评价和客观指标的分析，要求在音质设计时应遵循以下几个原则：

1）防止外部噪声及振动传入室内，使室内的背景噪声足够低。---室内音质设计的一个前提条件；

2）充分利用直达声，使室内各处都有足够的响度，并保证声场分布尽可能均匀。（对于以自然声为主的厅堂，要注意选择适当的规模。）

3）听众各点应安排足够的近次反射声。

4）使房间具有与使用目的相适应的混响时间。

5）防止出现回声、多重回声、声聚焦、声遮挡、声染色等声学缺陷。

一、大厅容积的确定（在大厅的音质设计中，首先要根据厅的用途和规模确定其容积）

1.1、保证厅内有足够的响度。对于以自然声为主的厅堂，大厅的体积有一定限度。以电声为主的可以不受限制。

1.22、合适的混响时间。人的吸声量占房间吸声量很大的一部分。不同用途的厅堂的混响时间与每座容积率关系较大。

用途 推荐每座容积（m3)

音乐厅 8-10

歌剧院 6-8

多功能厅、礼堂 5-6

演讲厅、教室 3-5

电影院 4

二、大厅体型的确定

2.1、体形的确定方法:几何声学法(声线法)：

其基本原理是以垂直于声波波阵面的直线(声线)代表声能传播的方向，在遇到反射体时，声能传播遵循如同光反射定律一样的反射定律；

另外，由于声波在厅堂中传播是在同一介质(空气)中传播的，因此不考虑在介质中的折射与衍射；

第三当两列声波相加时，只考虑其能量的相加，而忽略它们的干涉。

几何声学方法的应用不仅大大简化了分析工作，而且在很大程度上符合实际，是目前厅堂音质设计初期最常用的方法。下图给出一个用声线法设计观众厅顶棚断面的例子。

2.2、体形设计的五项原则：

1）保证直达声到达每个观众。

一般情况下，主要是防止前面的观众对后面观众的遮挡-----在较大的厅堂中，地面应从前到后逐渐升高。

2）、保证近次反射声的良好分布。

不同延时的反射声对声音有不同的作用。计算第一次反射声延迟的方法。

对于规模小的厅，体型不作特殊处理，在大多数座位上接收到的第一次反射声的延时在50ms内。尺寸更大的厅，须在厅的体型设计上下功夫。

3）、保证近次反射声的良好分布。

在大型厅堂中，为了争取延时在50ms以内的前次反射声，其体型设计（平面、剖面设计）应作特殊设计。

(1)厅堂平面形状：

下图是第一次侧向反射声分布的几种基本形状，从这几种基本形状中可以看出，一次反射声的分布与厅堂的宽度和进深之比相关，在进行平面形状设计的同时必须了解其各自的特点。

从几种基本平面形状中演变出来的几种复杂又具有代表性的平面形状。

a、视线好，多用于表演需求的建筑。措施：顶棚反射板的使用；后墙与侧墙后部做扩散处理。

b、反射声易沿墙反射产生回声；中部缺乏前次反射声。措施：靠近舞台的两侧墙面做成折线形状；后部做扩散处理；舞台口前部的顶棚为中部供一次反射声。

C、观众席上易得一次反射声，是听闻理想的平面。如在两侧平行的墙壁上作适当的起伏，一次反射声更足。

（2）厅堂剖面形状：

剖面设计主要对象是顶棚，其次是侧墙、楼座、挑台。

在宽度较大的厅堂，采用落地式楼座在中央区域的听众席上获得较多的一次测向反射声。

获得一次反射声均匀分布的顶棚设计形式：

从台口上缘逐渐升高的折面或曲面。中部以后的天花，可设计成向整个观众席及侧墙反射的扩散面。

设有挑台的大厅

3）、争取充分的扩散处理

? 厅堂内表面若材料光洁而坚实，吸声系数较小，构件的尺寸起伏变化在声波波长的范围内，对声波起扩散反射的作用。这种作用能使声场分布均匀，使声能比较均匀 的增长和衰减，从而可以改善室内音质效果。

? 在欧洲一些古老的剧院或音乐厅中。有设计精美的壁柱、雕刻、多层包厢、凸凹变化的藻井顶及大型的花式吊灯等建筑和装修处理。这些对声音有良好的扩散作用。

? 在近现代的剧场和音乐厅设计中，在顶棚和墙面上经常安装一些专门设计制作的几何扩散构件，以提高音质效果。

? 扩散体的几何尺寸应与其扩散反射声波的波长相接近；声音的频率越低，声波的波长越大，要求扩散体的尺寸越大。

4）、防止产生回声和其他声缺陷

? 回声的产生是个非常复杂的问题，在实际的设计工作中，须对所设计的大厅是否有出现回声的可能性进行检查，方法是：利用声线法检查反射声与直达声的声程差是否超过17m(即延迟是够超过50ms）

? 观众厅最易产生回声的部位是后墙（包括挑台上后墙）、与后墙相接的天花，以及跳台的前沿等。如后墙是曲面，更会由于反射声的聚集加强回声的强度。

回声与多重回声、声聚焦与声影

声影区：由于遮挡使近次反射声不能到达的区域。使大厅声场分布不均匀。

在有回声的部位处理措施：

?作吸声处理；

?作扩散处理；

?应改变其倾斜角度，使反射声落入近处的观众席；

?吸声处理最好与扩散处理并用，并应当与大厅的混响设计一起考虑。

5）、舞台反射板的利用

有镜框式的礼堂或剧场，舞台上演员的声音有相当大的部分进入了舞台内部，不能被观众接收。舞台反射板能使声能反射到观众厅，提高观众席上的声能密度；还有加强演员的自我听闻和演员与乐队、以及乐队各部分之间的互相听闻的作用。这是音乐演出的一个重要条件。

a、端室式（反射式）

b、分离式:在舞台口的附近设置若干分离的反射板，反射中、高频，同时可使低频声绕射至板后部空间经过混响后到达听众区。

c、舞台前移式：举行音乐会时，用防火幕墙将舞台间完全切离，大厅成为一个独立的空间（如图）

d、组合式：将端室反射罩扩大，使反射罩成为大厅的延续，为了避免罩内响度过大，再设分离式反射板。

5.2.3大厅的混响设计

? 混响设计是室内音质设计的一项重要内容，它的任务是使室内具有和使用要求相适用的混响时间及其频率特性。这项工作一般是在大厅的形状基本确定、容积和表面积能够计算时开始进行。

?具体内容：

1）确定适合于使用要求的最佳混响时间及其频率特性

2）混响时间的计算

3）室内装修材料的选择与布置

1、确定适合于使用要求的最佳混响时间及其频率特性

? 不同使用要求的大厅，有不同的混响时间的最佳值。同样用途的大厅，容积越大，最佳混响时间越长。

? 推荐的最佳混响时间是通过对已有大厅的实测、统计归纳得到的，不同的作者，其值有所不同。

常用最佳混响时间(秒

音乐厅 1.8-2.2

剧院 1.4-1.7

多功能 1.0-1.3

电影院 0.8-1.0

高保真 0.4-0.6

录音室 0.3-0.4

在得到500Hz的最佳混响时间之后，还要依此为基准，根据使用要求，确定全频带上各个频率的混响时间，即混响时间频率特性曲线-----横坐标是频率，纵坐标是与500Hz的混响时间的比率。

曲线表明，高频混响时间应当尽可能与中频一致，而中频一下可以保持与中频一致，或随着频率的降低适当延长，这取决于大厅的用途。如音乐演出，125Hz附近可以是中频500Hz的1.2~1.5倍。

室内声学知识-音质的主观评价与客观指标

1音质的主观评价（音质好坏的最后标准是：听众包括演唱者的主观感受）
响度：指人们听到的声音的大小。足够的响度是室内具有良好音质的基本条件。与响度相对应的物理指标是声压级。
丰满度：指人们对声音发出后“余音”的感觉。在室外，声音感觉“干瘪”，不丰满。与丰满度相对应的物理指标是混响时间。
色度感：主要是指对声源音色的保持和美化。良好的室内声学设计要保持音色不产生失真。另外，还应对声源具有一定美化作用，如“温暖”、“华丽”、“明亮”。色度感：相对应的物理指标主要是混响时间的频率特性以及早期衰减的频率特性。
空间感：指室内环境给人的空间感觉，包括方向感、距离感（亲切感）、围绕感等。空间感与反射声的强度、时间分布、空间分布有密切关系。
清晰度：指语言用房间中，声音是否听得清楚。清晰度与混响时间有直接关系，还与声音的空间的反射情况及衰减的频率特性等综合因素有关。
无声学缺陷:如回声、颤动回声、声聚焦、声遮挡、声染色等影响听音效果及声音音质的缺陷。

2客观指标
（1）声压级：房间中某处的声压级反映了该处的响度。在声源功率一定的情况下，增大声压级需要获得更多的反射声。
（2）混响时间（RT）：RT与室内的混响感、丰满度、清晰度有很大关系。RT越长，越感丰满，但清晰度越差；RT越短，越感“干”，但清晰度提高。RT的频率特性与音色有一定关系。RT低频适当增长，声音有温暖感、震撼感；RT高频适当增长，声音有明亮感、清脆感。
（3）反射声时间序列分布：人们最先听到的是直达声，之后是来自各个界面的反射声。一般的，直达声后50ms到达的声音被称为近次反射声，这部分声音对加强直达声响度、提高清晰度、维护声源方向起到很大作用。
对于语言，人们提出清晰度D（difinition)的概念，对于音乐人们提出明晰度C(Clarity)的概念。
D值的意义：直达声及其后50ms以内的声能与全部声能之比。D值越高，对清晰度越有利。
对于音乐人们提出明晰度C(Clarity)的概念。研究结果表明：为了保证有满意的明晰度，必须保证有C=0~3 dB
50ms以外的反射声一般被认为是混响声，混响声对丰满度、环绕度、清晰度、方向感有一定影响。混响声越多、越强，丰满度、环绕度高，但清晰度变差；强的50ms以外的反射声会产生回声，并影响方向判断。近次反射声和混响声中间不能脱节，否则，虽然混响时间较长但丰满度不够。
（4）空间分布：
来自前方的近次反射声能够增加亲切感，来自侧向的反射声能够增加环绕感。一般讲，听者左右两耳接收的侧向反射声有较大差别，形成了人们对声源的空间印象。
在小型厅堂（高为10m以内，宽为20m以内）中，20~35ms正是直达声与最早的一次反射声的时间间隔；在大型厅堂（高为10m以上，宽为20m以上）中，这样的反射声要靠专门设计的反射面来获得。在音乐厅设计中，应尽可能增大侧向的前次反射声在整个反射声能中的比率，以此来增加环绕感。

室内声学知识-吸声材料与吸声结构

吸声材料和吸声结构概述

吸声材料和吸声结构，广泛地应用于音质设计和噪声控制中。

对建筑师来说，把材料和结构的声学特性和其他建筑特性如力学性能、耐火性、吸湿性、外观等结合起来综合考虑，是非常重要的。

通常把材料和结构分成吸声的、或隔声的、或反射的，一方面是按材料分别具有较大的吸收、或较小的透射、或较大的反射，另一方面是按照使用时主要考虑的功能是吸声、或隔声、或反射。但三种材料和结构没有严格的界限和定义。

吸声材料和吸声结构

吸声材料：材料本身具有吸声特性。如玻璃棉、岩棉等纤维或多孔材料。

吸声结构：材料本身可以不具有吸声特性，但材料经打孔、开缝等简单的机械加工和表面处理，制成某种结构而产生吸声。如穿孔石膏板、穿孔铝板吊顶等。

在建筑声环境的设计中，需要综合考虑材料的使用，包括吸声性能以及装饰性、强度、防火、吸湿、加工等多方面，根据具体的使用条件和环境综合分析比较。

室内声学知识-混响时间（RT）计算公式

1、 赛宾(Sabine)公式
赛宾是美国物理学家，他发现混响时间近似与房间体积成正比，与房间总吸声量成反比，并提出了混响时间经验计算公式——赛宾公式。

2、 伊林（Eyring)公式
在室内总吸声量较小（吸声系数小于0.2)、混响时间较长的情况下，有赛宾的混响时间计算公式求出的数值与实际测量值相当一致，而在室内总吸声量较大、混响时间较短的情况下，计算值与实测值不符。
在室内表面的平均吸声系数较大（大于0.2)时，只能用伊林公式计算室内的混响时间。
利用伊林公式计算混响时间时，在吸声量的计算上也应考虑两部分（1）室内表面的吸声量（2）观众厅内观众和座椅的吸声量（有两种计算方法：一种是观众或座椅的个数乘其单个吸声量；二种是按观众或座椅所占的面积乘以单位面积的相应吸声量。

3、 伊林（Eyring)公式（伊林-努特生公式）
赛宾公式和伊林公式只考虑了室内表面的吸收作用，对于频率较高的声音（一般为2000Hz以上），当房间较大时，在传播过程中，空气也将产生很大的吸收。这种吸收主要决定于空气的相对湿度，其次是温度的影响。在计算混响时间时，考虑空气的吸收：
4m:空气吸收系数，空气吸收=4mV当频率取>=2KHz时，一般地，4m与湿度温度有关，通常取相对湿度60%,温度20℃时,其值见下表：
计算RT时，一般取125、250、500、1K、2K、4K六个倍频程中心频率，求出各个频带的混响时间
空气吸收系数4M值（室内温度20度）
频率（Hz) 室内相对湿度
30% 40% 50% 60%
2000
4000
6300 0.012
0.038
0.084 0.010
0.029
0.062 0.010
0.024
0.050 0.009
0.022
0.043

4 混响时间计算的不确定性
室内条件与原公式假设条件（一、声场是一个完整的空间；二、声场是完全扩散的）并不完全一致。
1）室内吸声分布不均匀；
2）室内形状，高宽比例过大，造成声场分布不均匀，扩散不完全 计算用材料的吸声系数与实际情况有误差，一般误差在10%——15%
计算RT的意义：
1）“控制性”地指导材料的选择与布置。
2）预测建筑厅堂室内的声学效果
3）分析现有的音质问题

室内声学知识-各类建筑的音质设计

各类建筑不同，如音乐厅、各类剧场、电影院、多功能大厅、教室、讲堂、体育馆以及录音室等音质要求也不同，设计中要解决的问题也不同，要根据以上所阐述的原则和方法，结合实际，灵活处理。

另外，这些建筑中还有许多的附属房间，如门厅、休息厅、走廊等，它们对创造整个建筑的声环境也起重要作用。如沉寂的门厅、走廊、会使人感到观众厅的音质更加丰满，而混响很长的门厅、走廊，不仅会使整个建筑给人以嘈杂的印象，而且会影响人们对观众厅音质丰满度的感受。因此应把整个建筑物作为一个整体来进行声环境设计。

一、音乐厅
音乐厅是为交响乐、室内乐、声乐等音乐演出用的专用大厅。
混响时间的要求：交响乐1.8~2.2s ；民族乐1.6s较为理想；室内乐1.7s较理想。
以一种功能为主，兼有其它功能的房间，可采用以下两种方法改变RT: 一种是改变房间的体积；二种是改变墙面的吸声量（开较多的窗户，要求RT长，关窗；RT短，可把窗户打开。）

二、剧院
? 剧院有歌剧院、戏剧院、话剧院等多种类型。特点是有独立于观众厅的大舞台空间，多以镜框式台口与观众厅相连，一般还有乐池。
?? 剧院在体形上都应考虑使前次反射声均布于观众席。歌剧院是以满足歌唱与音乐演奏为主，混响时间应当较长，但略小于音乐厅。

三、电影院
在电影院内听声音，与剧场内有所不同。电影录音的过程大致是在录音棚内用传声器拾音，然后经过一系列制作过程录在电影胶片上。观众在电影院内听到的是通过扬声器重放出来的声音。
电影的不同场面，在声学环境上有时差别很大，譬如可以包括表现一个大教堂内的特殊声学效果(其混响时间可达8s)或露天雪地的声音沉寂的空间。为了观众能清晰地听到影片某一特定场面录音效果，尽量不要受到观众厅内声学环境的影响。根据这一特点，电影院内应具有较短的混响时间。但混响时间也不宜过短，混响时间过短，一方面会使观众厅内声音过于“沉寂”，应按建议值；
另外，对后墙应加以分隔或采取强吸声处理，对于一些有可能产生回声、长延时反射、声聚焦的界面，应作认真的声学处理等。

四、多功能厅、礼堂

为了提高厅堂的利用率，不少观众厅设计成既可以演出又可以开会或放电影的多功能厅堂，常被称作“影剧院”或“礼堂”。
多功能厅堂的音质设计一般多用折衷的方法。即在体形上争取前次反射声的均匀分布，适当安排扩散处理，以满足自然声演出的需要。同时又设置电声系统，满足会议、讲演以及小音量演出(独唱、独奏、部分戏剧)的需要。
混响时间取音乐厅与语言用大厅的中间值，或者以主要功能为主选择最佳混响时间，次要功能则用电声系统配合满足。

室内音质设计是建筑声学设计的一项重要内容，其音质设计的成败往往是评价建筑设计优劣的决定性因素。
室内音质设计应在建筑设计方案初期就同时进行，而且要贯穿在整个建筑施工图设计、室内装修设计和施工的全过程中，直至工程竣工前经过必要的测试鉴定和主观评价，进行适当的调整、修改、才有可能达到预期的效果。

室内声学知识-房间的共振与共振频率

房间对不同的频率有不同的“响应”，房间本身有共振频率（也称“固有频率”或“简正频率”）。声源的频率与房间的共振频率越接近，越易引起房间的共振，共振频率的声能密度也就越强。
如噪声能使窗扇上的玻璃产生振动而发出声音，而且声音的音调是一定的。普遍存在的共振现象还有：暖瓶倒水、口腔发声等等。
? 在一房间中，空气振动的共振频率主要有房间的大小来决定。

驻波
两个平行墙面间的共振
在自由空间中有一面反射性的墙，一定频率的声音入射到此墙面上，产生反射，入射波与反射波在同一直线上相向传播，叠加后产生的“干涉”波。即在入射波与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，振幅因相减而减小，这就形成了位置固定的波腹与波节。即驻波。
两个平行墙面间的共振：当L=n?λ/2时，产生驻波的例子（a）n=1；（b）n=2 1—入射波；2—反射波；3—驻波

简并现象：当不同共振方式的共振频率相同时，出现共振频率的重叠，称为“简并”。
简并出现时，共振频率的声音被大大加强，形成频率特性的失真，低频会产生翁声，或产生“声染色”（coloration)


在矩形房间中的共振
1—轴向共振；2—切向共振；
3—斜向共振

防止简并现象的根本原则是：使共振频率分布尽可能均匀。
具体措施有：
1）选择合适的房间尺寸、比例和形状；
2）将房间的墙或天花做成不规则形状；
3）将吸声材料不规则地分布在房间的界面上。

室内声学知识-多孔材料的吸声机理

多孔吸声材料，如玻璃棉、岩棉、泡沫塑料、毛毡等具有良好的吸声性能，不是因为表面粗糙，而是因为多孔材料具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。

当声波入射到多孔材料上，声波能顺着孔隙进入材料内部，引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力、空气分子与孔隙壁的摩擦，使声能转化为摩擦热能而吸声。

多孔材料吸声的必要条件是：材料有大量空隙，空隙之间互相连通，孔隙深入材料内部。

错误认识一：表面粗糙的材料，如拉毛水泥等，具有良好的吸声性能。

错误认识二：内部存在大量孔洞（单个闭合、互不连通）的材料，如聚苯、聚乙烯、闭孔聚氨脂等，具有良好的吸声性能。

室内声学知识-混响与最佳混响时间

混响是建筑声学中最重要的参数之一，适度的混响，可以明显的改善声音质量，改变音乐的音色和风格。混响和混响时间是室内声学中最为重要和最基本的概念。
什么是混响时间？衰减过程即为混响时间，室内总吸声量越大，衰减越快，室容积越大，衰减越慢。
室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声压级将按线性规律衰减。衰减60dB所经历的时间叫混响时间T60，单位S。

混响，是指声源停止发声后，在声场中还存在着来自各个界面的迟到的反射声形成的声音的“残留”现象。这种残留现象的长短以混响时间来表示。
实际的混响衰减曲线。
由于衰减量程及本底噪声的干扰，造成很难在60dB内都有良好的衰减曲线，因此有时取T30或T20代替T60。

我们已经知道，室内的声波遇到四周墙面以及地面和顶棚会产生反射，而这种反射过程是往复多次的，从而延长了到达听者的时间。如果这些反射声在直达声到达听者50ms后仍多次反射而继续存在，直到一段时间后才衰减消失，听起来有一种余音不绝的感觉。这种过程与现象，我们称为混响，即交混回响之意。

那么，如何确定混响从建立到消失的时间呢？也就是说，如何确定混响时间呢？上个世纪初，声学家赛宾（W.C.Sabie）通过研究后提出：当声源停止发声后，残余的声能在室内往复反射，经吸收衰减，其声能密度下降为原来值的百万分之一所需要的时间，或者说，室内声能密度衰减60dB所需要的时间称为混响时间。

混响时间的实测值与计算值会有一定的差值。一般来说，低频混响时间的实测值小于计算值，高频混响时间的实测值大于计算值。在实际计算时应根据经验作一些修正。

混响时间对声学品质的影响是众所周知的，过长过短都会使观众感到疲劳。只有适当的混响时间，才会使观众处于一种赏心悦目的艺术享受之中，此时声音丰满动听，音符生动活跃、语言亲切温柔，使观众有强烈的空间感和丰富的色彩感。

那么，多长的混响时间才是最佳的呢？

事实上，很难确认一个统一的最佳混响时间标准，没有一个确定的数据，很大程度上是个范围值。不同类型，不同风格，不同专业用途的剧场都有不同要求。而且，它还受民族文化背景的影响。因此，各国发表的数据都不尽相同。

低频段混响时间稍长有利于音乐的丰满度和语言的温暖感，适宜于各类音乐演出，而高频段混响时间长一点，则容易表现泛音，增加音乐“水分”与鲜活感。

不同频率的不同混响决定了剧场的音色特性。在硬质装饰材料的环境中，高频混响时间长，音色冷艳，音色效果能模仿出山洞，水泥大厅，大理石宫殿等。而软质装饰材料的低频混响突出，音色偏暖，有着古典音乐厅与歌剧院的特色。

室内声学知识-反射与前次反射

声波在传播过程中，若遇到比它波长大的物体表面，便会产生反射。当反射面比声波的波长大很多时，反射规律与几何光学相似，即声线的反射角等于入射角。这时，我们可以用几何声学来研究反射的情况。

我们把听到直达声后50ms以内到达的反射声称为前次反射或早期反射。由于哈斯效应，前次反射声人耳不但分辨不出来，而且还会将它当作直达声的一部分，在主观效果上增加了声音的响度但又不会影响清晰度。这也是为什么在室内讲话时要比在室外讲话听起来声音响一些的缘故。

剧场与音乐厅的前次反射强弱程度是一个很重要的声学条件，18世纪在欧洲建造的一些古典音乐厅，以音质效果极佳而著称于世，曾使很多声学家和建筑学家感到迷惑。但后来的研究和工程实践表明，一些优秀的古典音乐厅，除了良好的声扩散与适度混响之外，很重要的原因是这些剧场或音乐厅的观众席有足够的前次反射，尤其是来自侧向和顶棚的前次反射声增加了室内声能密度，提高了音乐的空间感和丰满度。

室内声学知识-管乐器的振源——簧片

簧片就是在气流作用下可以产生振动的物体，它可以分为两大类型：一种簧片在气流的作用下只能发出固定频率的声音，它的频率就是簧片作自由振动时的频率(固有频率)，这种簧片称为固定簧，它们大都由金属制成，用在口琴、脚踏风琴、手风琴等固定音高的乐器上；另一种簧片的振动频率受气流大小的影响，气流越急频率越高，这种簧片称为浮动簧，它们大都由柔软并且富有弹性的物质构成，其中最常用的是芦苇簧片，也称哨片。有人吹嘴皮子或吹口哨时可以吹出不同的音高，这是因为嘴唇和孔穴周围的空气也可以构成簧片，我们分别称其为唇簧和气簧，它们也属于浮动簧。

要注意的是，固定簧和浮动簧的界限不是很严格的，因为固定簧的振动频率会受气流的影响发生微弱的变化。有些簧片的类型很难确定，例如人的声带，喉头的肌肉可以控制声带，让它发出指定的频率，但它受气流的影响频率会有所变化，这种变化要比金属簧大得多。

簧片的发音是由气息和嘴形来控制的，各种簧片的灵活程度是不一样的。固定簧虽然频率固定，但是最容易控制，只要有气流便可以发音。唇簧和气簧要比哨片更容易控制，灵活性更好，哨片当中也有所区别，双层哨片比单层哨片更难控制，所以双簧管是管乐器中最难吹的一种。

室内声学知识-回声

回声与混响是有区别的。

混响在英文中是Reverberation，是指声音经过多次往复漫反射，包含多个不同角度、不同时间到达的混合反射声逐渐衰减形成，听者分辨不出其中的任何音节。 而回声是一种单一固定的反射声，它的强度和时差都大到足以和直达声区别开，并能分辨出音节。回声的英文名称是Echo。 一定的混响对音质有利，而回声则只能破坏音质，应绝对避免。 消除回声的方法是进行声扩散处理。