室內(nèi)聲場的分析方法

齊 娜 ，孟子厚

（中國傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所，北京 100024）

1 室內(nèi)聲場

當(dāng)兩個(gè)人邊走邊談，從室外走進(jìn)建筑物內(nèi)時(shí)，人們就會(huì)感覺到，此時(shí)的相互交談聲與室外不太相同，并且會(huì)感到交談的聲音會(huì)變得響一些。這是什么原因呢？室內(nèi)聲場與沒有反射聲的自由場或室外聲場相比較，一方面由于室內(nèi)表面產(chǎn)生很多反射聲，從而使聲能逐漸增加，最后達(dá)到穩(wěn)定聲能，它比室外無反射聲的聲能提高很多，這就使室內(nèi)講話要比室外響亮。另一方面，在室內(nèi)聲源停止發(fā)聲后，室內(nèi)的聲音不會(huì)馬上消失，而是逐漸減小的。總的來說，房間對(duì)聲音的影響主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面:

（1） 引起反射聲；

（2） 改變音質(zhì)；

（3） 由于簡正波的激發(fā)，增加聲能密度；

（4） 使聲音在空間的分布發(fā)生變化。

在不同條件、不同要求下，對(duì)室內(nèi)聲場進(jìn)行分析可采用不同的分析方法——幾何聲學(xué)、統(tǒng)計(jì)聲學(xué)、波動(dòng)聲學(xué)的方法。幾何聲學(xué)的分析方法類似于幾何光學(xué)，利用聲線圖可以分析房間的特殊體形和反射面對(duì)音質(zhì)的影響。統(tǒng)計(jì)聲學(xué)的分析方法主要是在實(shí)踐中，通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出一些公式，并用這些公式來進(jìn)行廳堂的音質(zhì)設(shè)計(jì)；而波動(dòng)聲學(xué)的分析方法，通過聲波特性的研究，能揭示室內(nèi)聲場的本質(zhì)，雖然還不能提出指導(dǎo)音質(zhì)設(shè)計(jì)的簡單原則，但它不僅可以闡述幾何聲學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法適用的范圍，還可以解釋一些不滿足擴(kuò)散聲場條件出現(xiàn)的聲學(xué)過程。

2 室內(nèi)幾何聲學(xué)分析方法

當(dāng)聲波的頻率較高，即聲波的波長小于房間中反射面的尺度時(shí)，可以用幾何光學(xué)中光線的概念把聲波的傳播看作沿聲線傳播的聲能，而忽略聲波的波動(dòng)性能，這是幾何聲學(xué)的方法。幾何聲學(xué)的方法在研究房間內(nèi)各個(gè)反射面的作用時(shí)是非常有效的，還可以檢查房間內(nèi)是否有聲聚焦現(xiàn)象。幾何聲學(xué)方法使用的條件是反射面或障礙物的尺寸要遠(yuǎn)大于聲波的波長。這時(shí)聲波才能按照反射角等于入射角的幾何光學(xué)反射定律反射。

圖1 所示為一個(gè)矩形房間的橫剖面，當(dāng)聲源在S 處發(fā)聲時(shí)，房間內(nèi)聽聲者R 首先聽到的是由聲源直接傳來的聲音，即直達(dá)聲SR，然后依次聽到由聲源經(jīng)一面墻反射到達(dá)的一次反射聲SAR、SBR，經(jīng)過兩面墻反射后到達(dá)的二次反射聲SCDR，經(jīng)三面墻反射后到達(dá)聽聲人的三次反射聲……直至多次反射聲。由于房間各表面對(duì)聲音反射時(shí)還要吸收一部分聲能，因此，反射聲隨反射次數(shù)的增多，強(qiáng)度將逐漸減弱。此外，反射聲到達(dá)人耳處的路程要長于直達(dá)聲，因而反射聲到達(dá)聽聲人處的時(shí)間要滯后于直達(dá)聲，反射次數(shù)越多的聲音，滯后的時(shí)間也就越長。圖2給出的是廣東會(huì)館實(shí)測得到的房間脈沖響應(yīng)波形圖，從圖中可以看出經(jīng)過墻面多次反射接收到的信號(hào)的強(qiáng)度減弱。

按照反射面的不同分類，常見的反射的類型主要有：平面反射、凹面反射和凸面反射。平面反射如圖 3（a） 所示，聲源S 發(fā)出若干條聲線入射到反射界面上，對(duì)這些不同入射點(diǎn)反射聲線，可在界面后面向后延長這些聲線，它們將聚集在一點(diǎn)，即聲像點(diǎn)。聲像點(diǎn)S'位于聲源S至界面垂線上，并且距界面的距離與聲源至界面的距離相等。對(duì)于房間內(nèi)的觀察者來說，聲源在界面上所有反射都好像是來源于這個(gè)聲像點(diǎn)S'。 S'也稱作虛聲源。凹面反射以及凸面反射示意圖如圖 3（b） 和圖3 （c） 所示。可以看出凸面對(duì)入射聲波有明顯的散射作用，在音質(zhì)設(shè)計(jì)中，正確地使用凸曲面，將有助于聲場的擴(kuò)散均勻。

而凹反射的特點(diǎn)是使聲音會(huì)聚于某一區(qū)域或出現(xiàn)聲聚焦點(diǎn)，從而造成聲場分布的不均勻，在音質(zhì)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意防止。

需要注意的是，對(duì)于低頻聲（63 Hz～ 125 Hz） ，波長為5.4 m～2.7 m。在一個(gè)各個(gè)表面尺寸均小于聲波波長的小房間內(nèi)，幾何反射定律將不適用。此外，當(dāng)聲波在大房間內(nèi)遇到小尺度的障礙物，或尺寸較小的反射板時(shí)，將產(chǎn)生彎曲，即形成明顯的聲衍射，但不會(huì)造成明顯的擴(kuò)散反射。對(duì)于中頻聲（500 Hz ～1 000 Hz） ，波長范圍68 cm～34 cm，當(dāng)遇到大的天花板和墻壁時(shí)，仍然遵循幾何定律。但遇到與聲波波長相近的構(gòu)件和裝修處理時(shí)，則要形成擴(kuò)散反射。對(duì)于高頻聲（2 000 Hz～ 8 000 Hz） ，波長范圍17 cm～4 cm ，這時(shí)大部分室內(nèi)構(gòu)件將會(huì)形成明顯的聲影。此外， 一般的天花板與墻面仍會(huì)遵循幾何反射定律。

圖1 室內(nèi)聲音的傳播

圖2 廣東會(huì)館實(shí)測脈沖響應(yīng)波形圖面

圖3 反射類型