室內聲學

當聲源向空間輻射聲波時，該聲波存在的區域稱為聲場。如果聲波傳播時不受阻礙和干擾，這樣的聲場稱為自由聲場。在室內，聲源輻射的聲波傳播到界面上時，部分聲能被吸收，部分被反射。通常要經過多次反射後，聲能密度才減弱到可以被忽略的程度。當聲源連續穩定地輻射聲波時，空間各點的聲能是來自各方向聲波疊加的結果。其中未經反射、直接由聲源傳播到某點的聲波稱為直達聲；一次和多次反射聲波的疊加稱為混響聲。

室內聲場由直達聲和混響聲合成，直達聲的聲能密度按反平方規律衰減，而混響聲的聲能密度可近似地認為各處相等。混響聲能的大小，除與聲源的輻射功率有關外，還與空間大小和各界面的平均吸聲係數有關。

在不同條件下，可分別用幾何聲學方法、統計聲學方法和波動聲學方法來研究室內聲音的傳播。

幾何聲學方法是指在研究自由聲場的擴散性時，忽略聲的波動特性，採用聲線來描述聲音傳播途徑的方法。當室內聲音傳播到一個尺寸比聲波長度大得多的界面時，可用幾何聲學方法研究聲音的傳播規律。

這種而用聲線概念研究聲傳播途徑是根據反射定律：聲線的反射角等於入射角，且反射聲線和入射聲線與法線在同一平面上。

應用

可以利用聲線的幾何作圖法來分析直達聲和近次反射聲的分佈情況，避免直達聲和第一次反射聲之間有較大的延遲時間差，避免反射聲的聚焦出現在聽眾席附近。通過靠近聲源的反射面的佈置，補充短延遲的反射聲，以避免聲源前面的聲強隨距離增加而出現過大幅度的下降等。

統計聲學方法是指從能量的觀點出發，忽略聲的波動特性，用統計學手段來描述聲場平均狀態的方法。

這種用能量概念研究聲場狀態是根據反平方規律：對一個波陣面為球形的點聲源來説，聲場強度與離聲源中心距離的平方成反比。

一個連續發聲的聲源在室內開始發聲時，穩定聲場並不立刻建立，是隨時間逐步增長而達到穩定狀態。聲源停止發聲後，聲場也不會立刻消失，而有一隨時間逐漸衰減的過程（圖1）。

用統計聲學方法研究聲能密度的平均增長過程和衰減過程可知，聲源開始發聲時，聲能密度增長過程可用下式描述：式中D(t)為聲能密度(焦/米3);W為聲源功率(瓦)；c為聲速（米/秒）；A為室內表面總吸聲量（米2）；V為房間體積（米3）；t為聲源發聲後經歷的時間（秒）。當時間t比大得多時,可簡化為：此時聲場達到穩定狀態，聲能密度達到極大值，它的大小僅與室內表面的總吸聲量和聲源功率有關。

聲源停止發聲後聲能密度的衰減過程可以用下式描述：

此式表明，室內總吸聲量越大，衰減就越快；房間體積越大，衰減越慢。聲源停止發聲後，聲音還會在室內延續的現象稱為混響，其衰減過程為混響過程。度量混響過程的量為混響時間T60（秒），定義為初始聲壓級下降60分貝所需的時間，其關係式為：

式中V為房間體積（米3）；S為總表面積（米2）；峞為平均吸聲係數；m為空氣的衰減係數。此外，混響理論的創始人W.C.賽賓也曾提出混響時間的計算公式：，被稱為賽賓公式，僅適用於室內平均吸聲係數小於0.2的場合。

波動聲學方法是指用波動理論研究室內駐波共振影響的方法。當室內界面的幾何尺寸與聲波波長可比時，聲的波動特性就不能忽略，成為突出的研究重點。

根據波動聲學原理，當一對平行牆面間的距離l等於聲波半波長 λ/2的整數倍n時在這尺度方向上會產生駐波，即聲波傳播的壓縮和稀疏“圖案”在空間有着固定的位置，或者説室內空氣振動出現共振。當人沿着駐波方向從一端走向另一端時，會感到聲強有忽高忽低的變化，高低相差最多可達20分貝左右。這些能產生駐波的頻率稱為簡正振動頻率或稱簡正頻率。其結果使聲場極不均勻，而且會使聲源中符合上述情況的若干頻率成分得到過分增強，也比別的頻率衰減得更慢些，因此就會造成嚴重失真。

對於一個長、寬和高分別為 lx、ly和lz的平行六面體房間，其簡正頻率fr（赫）可由下式計算：

式中nx、ny和nz為正整數或零，分別代表某種振動方式，

這些簡正頻率又可分為三類：①軸向簡正頻率；②切向簡正頻率;③斜向簡正頻率。從0到fr的頻率範圍內可能出現的簡正振動數N：式中V=lxlylz為室內容積；S=2(lxly+lylz+lzlx)為室內總面積；L=4(lx+ly+lz)為室內總邊長。

應用

在容積小的房間內，低頻範圍的共振頻率較少，頻率的分佈不均勻。如果lx、ly、lz的比例選擇適當，不使共振頻率簡併，則分佈可有所改善；一般採用1∶21/3∶41/3的調和級數的比例。圖2所示為某些頻率範圍，峯頂括號內的數字即公式中的nx、ny、nz，因振動方式簡併而堆積在一起,造成室內的頻率響應範圍起伏很大。對於大房間和高頻範圍，由於簡正頻率較多，共振峯相互交疊，其效果可按統計聲學方法來處理。

聲音的強弱、音調的高低和音色的好壞是聲音的基本特徵。因此，在音質設計中應根據房間的具體使用要求，做到充分地利用直達聲，合理地分佈近次反射聲，正確地控制混響聲。

界面上吸聲材料的頻率響應曲線不可能是直線，在選擇和佈置吸聲材料時要充分考慮這一情況，否則會造成頻率失真。由於人耳只能分辨出時間間隔大於50毫秒的兩個聲音，因此在50毫秒內的近次反射聲具有加強直達聲的效果，這對於改善聲場的擴散性，提高信噪比都有利。同時應儘量避免顫動回聲和聲聚焦的現象（見音質缺陷）。音色的豐滿度親切感直接與混響時間相關，混響時間過短，會感到乾澀；而混響時間過長，又影響聲音的層次。

時至今日，聲學的應用範圍越來越廣，在軍事、醫學、建築等方面有舉足輕重的地位，尤其是建築聲學更是建築設計師們一直在研究的重點科目。眾所周知，大劇院是世界公認的工程技術難度最高的建築，聲學系統的建設更是核心難點，因此聲音效果也成為了評判一家大劇院水準的重要衡量標準。可喜的是近年來國內許多涉足聲學設計的企業、單位也逐漸走向成熟，在這些組織中深圳中孚泰文化集團可為國內行業排頭兵。中孚泰是全球唯一一家專注於演藝建築建設的企業，19年專注，中孚泰參與建設了全國60%的高端精品劇院建設，是唯一被有關部門授予“聲學裝飾科學研究院”的單位。在中孚泰傾心打造的眾多大劇院中，以廣州大劇院、甘肅大劇院為代表在聲音效果上已經超越了悉尼歌劇院，躋身國際一流水準。

名稱：室內聲學設計原理及其應用

出版地:上海

出版者名稱:同濟大學出版社

出版日期:1995

分類號:TU112.4

主題

學科名稱主題:室內設計 聲學設計 研究 聲學設計 室內設計 研究 ^[1]