3室内声场与音质.ppt

第三章第三章 室内声场与音质室内声场与音质本章主要内容本章主要内容第一节第一节室内声场室内声场12第二节第二节室内音质评价室内音质评价3第三节第三节 室内音质的改善室内音质的改善第四节第四节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理第一节第一节 室内声场室内声场一、室内声场的基本特征 概念：室内声场是指声源辐射的声波在封闭的室内空间传播时所形成的声场。（一）室内声的组成对室内的脉冲声源辐射的一个脉冲声，室内听音者首先听到的应是直达声；接着是从最近的反射面（地面、墙壁、天花板等）反射过来的“第一反射声”。紧接第反射声后是从次近反射面反射过来的第二反射声，以及其后的第三、第四等前期反射声。再以后则是人单无法区分开的众多反射面、众多反射次数的众多反射声的叠加。第一节第一节 室内声场室内声场一、室内声场的基本特征 （二）简正方式和简正频率概念：声波在互相平行的一对刚性界面之间传播时，如果距离为半波长的整数倍（L=n/2），就会产生共振（形成驻波）。相应的频率称简正频率（或固有频率、共振频率），相应的驻波传播方式称简正振动方式，或简正方式 。室内驻波不仅可以发生在矩形房间的X、Y、Z三个轴向（如图4-2中的“1”，即为X向驻波），还可以发生在X-Y、X-Z或Y-Z三个平面内（如图4-2中的“2”），也可以发生在空间的其它方向（如图4-2中“3”）。“l”称为轴向驻波，“2”称为切向驻波，“3”称为斜向驻波。第一节第一节 室内声场室内声场一、室内声场的基本特征 （二）简正方式和简正频率概念：声波在互相平行的一对刚性界面之间传播时，如果距离为半波长的整数倍（L=n/2），就会产生共振（形成驻波）。相应的频率称简正频率（或固有频率、共振频率），相应的驻波传播方式称简正振动方式，或简正方式 。室内驻波不仅可以发生在矩形房间的X、Y、Z三个轴向（如图4-2中的“1”，即为X向驻波），还可以发生在X-Y、X-Z或Y-Z三个平面内（如图4-2中的“2”），也可以发生在空间的其它方向（如图4-2中“3”）。“l”称为轴向驻波，“2”称为切向驻波，“3”称为斜向驻波。第一节第一节 室内声场室内声场一、室内声场的基本特征 （三）室内声场的基本特征如果室内声源辐射的是连续稳定声波，那么在室内各受音点接受到的声压值也是稳定的，但由于反射声对直达声迭加的结果，声压随声源距的衰减没有象室外声场那样明显。由于室的周边界面对声的反射作用，当室内声源停止发声后，室内声并不立即停止，而是继续持续一段时间，这种声的残响现象通常称之为混响。由于室形状的复杂性或线度比例失当，声波在室内传播时，还有可能产生回声、聚焦、蛙鸣以及前面已提及的声染色等特异声现象。第一节第一节 室内声场室内声场二、混响和混响时间（一）室内声场的建立、稳定和衰减室内声能密度从0到稳定值4W/cA的过程称为室内声场的建立与稳定过程。室内声能密度从稳定值4W/cA逐渐衰减为0的过程称为室内声场的衰减过程。 图4-3描述了上述室内声场的这种建立、稳定和衰减过程。图中，a、b、c三条曲线分别表示大小、形状相同，但室内界面吸声量不同的三个房间的上述过程。其中曲线a所表示的房间吸声量最小，而曲线c所表示的房间吸声量最大。二、混响和混响时间（二）混响时间的计算混响时间的定义：通常，我们定义Lp衰减60(dB)的时间为混响时间。记为T60。 T60（TbTa）60/（LpaLpb）第一节第一节 室内声场室内声场（1）T60 与房间内的声源声功率无关。（2）左图中曲线上端为稳态时测点声压级，下端为背景声压级，直线ab为衰减过程。二、混响和混响时间（二）混响时间的计算通常，在声场均匀分布的封闭室内的混响时间可用著名的赛宾(W.C.Sabine)公式进行工程估算 ： T60闭室的混响时间(s)；S室内表面总面积(m2)，包括地面、墙面和天花板； 墙壁、天花板、地板等房间内表面的平均吸声系数；V闭室的容积。第一节第一节 室内声场室内声场赛宾公式：SVT161. 060T60闭室的混响时间(s)；S室内表面总面积(m2)，包括地面、墙面和天花板； 墙壁、天花板、地板等房间内表面的平均吸声系数；V闭室的容积。二、混响和混响时间（二）混响时间的计算艾润公式式中，若 1时，则T600，这和理论结果是一致的，艾润公式克服了赛宾公式的局限性。当 1时，-ln（1 ）约等于 ，这和赛宾公式就一样了。 第一节第一节 室内声场室内声场二、混响和混响时间（三）混响时间的频率特性由于室内各界面材料或界面结构对不同频率的吸声系数不一样，因此，对不同的频率的声波，房间的混响的时间也不一样。这一特性称为混响时间的频率特性，或叫做T60频谱。 一般情况下，如无特别说明，一个房间的混响时间是指500Hz声波的混响时间。 第一节第一节 室内声场室内声场二、室内声场分布 概念：室内声场分布，是指固定而稳定的声源发声后，其声能密度也在室内空间的分布。（一）房间常数 R房间常数是房间吸声能力以及混响声声能密度的反映根据相关原理可导出右图公式： 式中，e为声能密度，W为声功率， 设 ，上式即为 第一节第一节 室内声场室内声场)1(4ScWe1SRcRWe4二、室内声场分布 （二）混响半径混响半径 当直达声场与混响声场的声能相等时，受声点到声源的距离r称为混响半径rc 。设室内一点声源，声功率为W，距声源r处的直达声声密度 ；另一方面该声源又建立起的混响声能密度 与r无关。取某一半径rc，使得该点ed=e，即：解得 第一节第一节 室内声场室内声场crWed24/cRWcrWc442cRWe/4RRrc14.0r 41c或混响半径Rrc14.0当r小于rc时，直达声占主要成分。当r大于rc时，混响声占主要成分。（三）声源指向因子混响半径 的计算，是采用点声源（无指向性声源） 。电声系统所涉及的声源常具有指向性的声源。指向因子Q：自由声场（无反射声的声场，此时，声源周围无反射界面、或反射面a值均等于1）中，声源在某方向上某点产生的声强Id与相同声功率无指向性声源在该方向该点产生的声强Id0的比值为：测量方法：P410ddIIQ （三）声源指向因子讨论：点声源在两个无限大的反射面的交线附近点声源放置三个相互垂直平面的交点附近根据讨论，对有指向性声源，第一节第一节 室内声场室内声场QRQRrc14. 041（四）室内声场分布的计算为了测试方便，通常用声压级代替声能密度来研究室内声场的分布：对一指向性声源，室内某向、声源据r处的声能密度为：该点声强为：声强级为： 同理：第一节第一节 室内声场室内声场cRWrWQeeesd/44/2)/44/(2RWrQWecI)44lg(102RrQLLwI)44lg(102RrQLLwp第二节第二节 室内音质评价室内音质评价一、室内音质设计的基本要求 理想的室内音质是进行室内音质 设计的基本要求，其基本点有：无噪声干扰。环境噪声、振动、室内设备噪声以及固体传声等均应控制在允许值以下；作为语言用房，首先应追求声音的清晰；作为音乐用房，则要求声音圆润、丰满和足够的力度；对于立体声效果用房。所追求的则是立体感、空间感和临场感；整个声场应充分扩散、分布均匀；没有回声、颤音、蛙鸣、嗡声（低频声染色）以及声聚焦等明显特异声缺陷。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价二、主要评价量及评价标准（一）教育电声系统特点：具有的多功能（录、放、扩、演俱全）；多声源（语言、音乐、音响、非信号声响等）；高要求（作为教育手段或教育环节，要求信息在传递过程中每一个时刻和每一个空间位置上都要有相同的声效果和较高的声音质量）；不太理想的内外声环境（尤为突出的是交通、环境、人为噪声、设备的电气及机械噪声干扰）。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（二）教育电声系统主要评价量及评价标准：1.室内噪声水平：室内噪声包括由外环境传入的噪声及室内设备噪声。多采用“噪声评价指数”（NC）作为评价参量。见右图。横坐标为倍频程；纵坐标为声压级Lp各条曲线声压级与N数的关系： Lp=a+bN（dB）、式中常数a、b由P43表格参数确定。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（二）教育电声系统主要评价量及评价标准：2.教育电声系统常用房噪声允许值第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（三）最佳混响时间1.最佳混响时间概念：对于不同用途的的声室，不同的音质设汁，应有不同容积的室空间。在此容积下，有某一段混响时间范围，其间声效果最好。最佳混响时间通常取5001000Hz作为标准。图4-9为录音室和演播室的推荐容积和混响时间；录音室：35120m3；混响时间0.150.4s；音乐演播室：25010000m3；混响时间0.91.5s。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（三）最佳混响时间2.现代演播室、录音室、电视演播室都要求有短而平直的混响时间：短混响节目可以通过电声手段仟意加进人工延时和混响。而如果节目已具有长时间的混响则很难减短。短混响房间吸声条件较好，有利于降低背景噪声。在电视演播室中，混响时间长，会影响讲话者的亲切感和实在感。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（四）混响时间频率特性1.概念：房间的混响时间随声信导频率变化而变化的特件(常简称为T60频谱）。这是因为房间内铺材料或铺层结构的吸声系数随声频而变化，房间的混响时间也随声频而变化。语言声，要求混响时间频率特性在全频段保持平坦；音乐，则希望低频段稍有提升；至于语言、音乐兼用房间，其频率特性介于二者之间。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（四）混响时间频率特性2.混响时间频率特性曲线图4-10为混响时间频率特性推荐曲线。图中，纵坐标“混呐响时间比”指相对于500Hz时混响时间的比值。1为音乐用房混响时间频率特性曲线，在500Hz处与直线2重合；2为语言声用房混响时间频率特性；3为综合用途房间时间频率特性范围。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（五）混响感1.混响感是人对混响程度的主观感受。即使两个房间大小相同、混响时间相同，听起来的混响感并不一样。2.Olson等人提出听觉比概念，作为混响感的表征： * ”混响感“比”最佳混响时间“更直接反映听音音质。）直达声声能密度（）混响声声能密度（听觉比dsee第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（六）前期反射声的时间序列与方向序列 1.前期反射声的时间序列 前期反射声的时间分布和强度变化，是评价室内音质的重要参量，第一反射声与直达声时间间隔约为30ms时，会给听者以空间感；此间隔大于50ms并且反射声强较大时将形成回声，严重破坏听音效果。 反射声衰减越慢，持续时间越长，声音越丰满，但明晰度则相应降低。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（六）前期反射声的时间序列与方向序列2.前期反射声的方向序列前期反射声的方向序列也对音质有影响，心理测试表明，对来自前方（声源同向）近次反射声能增加声音亲切感，顺从侧方来的近次反射声则有形成围绕感的作用。同一测点，如果声源位置变化，在该测点测得的反射声时间序列与方向序列也是不相同的。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（七）声场扩散特性1.概念：声波在室内的传播是靠各内界面的反射而进行的。如果这种传播完全处于无规状态，从统计观点来说可以认为声波通过室内空间任何位置的几率是相同的，通过的方向几率也是相同的，各反射声相遇的相位也是无规的，由此造成的室内声场平均能量分布密度是均匀的，我们将这种统计平均均匀的声场称为扩散声场。房间的声场扩散特性是指被评价房间实际声场的扩散程度。第二节第二节 室内音质评价室内音质评价（七）声场扩散特性2.评价方法实测混响时间，并计算与理论值（假定该室是完全扩散的）的偏差；或者根据实测混响曲线的不规则度来评价实际声场的扩散特性；实测（沿指向声源的任一侧线）室内声实际分布并与理想分布（完全扩散时）比较。实测实际声场的指向扩散度，并据此比价其扩散特性。第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善一、常见声缺陷及其对音质的影响（一）外界噪声对室内声场的干扰1.外界噪声有三条途径通过门窗、管道等空隙直接传入；透过墙壁等隔离屏障传入（隔离物振动而形成的二次传播）；建筑物构件受机械撞击时，振动将沿隔离物传播辐射而形成干扰，如走廊人员走动、冷暖风机、排水管道的震动声等。2.其传播实质：空气传播或固体传播。第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善3. 室外噪声对室内音质的危害：提高了背景噪声声级，降低了信噪比；当噪声级越高、或频带越宽时，对信息的掩蔽量也越大，被掩蔽的频带也越宽；对非稳定噪声，上述危害更大；噪声还会破坏室内声场的正常分布，是声场染色（频率畸变），导致信息声的音质的严重恶化。第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善（一）外界噪声对室内声场的干扰4. 对于干扰声场大小的估计 设Lp0为室外噪声声压级，F为透声墙立面的面积，室内总吸声量A=S，此时透入室内的噪声声压级为：式中， 为声能透射率，可取平均值，通过进行计算。例举，P48页6lg101lg0FALLppFFii第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善（二）混响时间对音质的影响1.混响时间过长混响时间过长的情况常发生在 未按建筑声学设计、或改建、代 用的音室之中。对于录音室、语音室等语声用房，由于混响时间过长而影响清晰度的危害性尤为显著。图4-13表示三种不同室容积时，混响时间与音节明了度（可懂度）的关系。由图可见，混响一定时，室容越小，音节明了度越高；相比之下，混响比之室容积对音节明了度影响更大。第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善（二）混响时间对音质的影响2.混响时间过短声音（尤其是音乐）缺乏力度，这也是一种常见缺陷。产生的主要原因是：不考虑房间用途、不考虑室容积大小，过多铺装吸声材料，致使室内混响时间过短。其危害：当混响时间短到一定限度时，音节明了度反而开始降低。因力过短的混响时间使声音变得于涩、不自然，从而影响了人们对音节的正常辨别能力。第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善（二）混响时间对音质的影响3.混响时间频率特性畸形混响时间频率特性畸形可引起信号频率失真。引起混响时间频率特性畸形的人为原因是，或建声设计不当，或盲目铺装，或参考他人、照搬照套，更有甚者，将吸声材料当作装饰材料使用。第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善一、常见声缺陷及其对音质的影响（三）房间大小及线度比例 对简正频率的影响由于室形状的复杂性或线度比例失当，声波在室内传播时，有可能产生回声、聚焦、蛙鸣 。图4-14表示三个容积大致相同、但比例不同的房间，简正频率分布的差异。图中符号“”表示几个相同简正频率的“简并”，导致严重的声染色。显然三者之中，房间C音质最好。房间设计尽量避免比例有1:1的现象。采用2:3:5的关系, 减少房间的简并现象,避免声染色,此时简正频率分布最为均匀 。二、室内音质改善的建筑声学方法 克服上述常见声缺陷，提高室内音质水平的基本途径有建筑建筑声学法声学法和电声法电声法两大类。其中，前者是基础，前者是基础。1.控制噪声和振动干扰，提高声信噪比避开强环境噪声源；或进行声源改造；或对房间进行封闭；安装消声窗；修建室外声障，错开时间等；尽量避免与振动源毗邻；或挖防振沟；等。2.修正混响时间及其频率特性，以符合设计要求新建房一定要进行声学设计，使之满足用房混响时间和频率特性的要求；若现房改造，则对原参量测试，重新设计，工程改造、复测及评价等全过程。（P50 举例）第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善二、室内音质改善的建筑声学方法3.改善房间形体、结构，提高房间扩散性能长方体形房间长、宽、高比例尽量避免1:2、1:1等简单比例关系，推荐 ，此时简并频率分布最为均匀，低频声染色缺陷可基本消除；房间容积应足够大，使间隔较大的简正频率尽量推向很低频段使频率范围内频率分布均匀；对长宽高比不当的房间，可通过空间分割尽量减少房间平行内壁；室内吸声材料和吸声结构的铺装以非对称为宜。b、扇形：听众靠近舞台，直达声强、清晰度高代表：巴黎音乐厅、荷兰鹿特丹音乐厅缺点：后墙为弧形，类似凹面，易产生声聚焦，会造成强回声，需做吸音处理。 c、马蹄形特点：沿大厅周围增设几层厢座，既可增加听众座席，又可充当吸声体，缩短厅内混响时间，适合歌剧院。代表：1778年建成的意大利米兰歌剧院（2689座）1969年建成的渥太华国家艺术歌剧院（2300座） 第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善二、室内音质改善的建筑声学方法4.合理设计反射面，改善前期反射声（1）反射面的形体处理（P51）为了减少“简并”现象，该室左右侧壁设计为不平行平面；为了避免后壁形成回声，有铺装了吸声材料。设计的结果：室中央很大区域缺乏来自侧壁的第一次反射声改进：将左右的侧墙改成阶梯型反射面。如果厅室天花板高度小于左右宽度之半，则中央区域的第一次反射声可能从天花板获得，此时天花板形状必须进行合理设计，避免第一次反射声来源于天花板。第第三三节节 室内音质的改善室内音质的改善4.合理设计反射面，改善前期反射声（2）改变反射面或声源位置回声、多重回声、声聚焦等特异声缺陷是比较复杂的问题，它既与厅室形体、结构有关，又与声源位置，听音点位置有关。改变反射面或声源位置可克服回声及其他特异声缺陷。现场测试，如果回声大于50ms，则需要进行改善，如在声源上方加装发射板，使之获得新的第一次反射声；采用计算机技术，反射声线追踪法、虚声源法等来处理声场中的问题。第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理一、吸声材料与吸声处理（一）多孔吸声材料常用多孔吸声材料有玻璃棉、矿棉、毛毡等。这类材料的特点是内部由连通的微小间隙或气室。基本吸声机理是入射声波进入材科内部，激发材料内隙或气室空气振动，由于与材料摩擦及空气自身的粘滞阻力是部分声能转化为热能损耗，从而达到吸声目的。影响多孔材料吸声性能的主要因素有：材料孔隙率、厚度、容重（单位体积重量，反映了可压缩材料的被压缩程度）、以及材料的安装情况等。第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理一、吸声材料与吸声处理（二）穿孔板吸声结构穿孔板吸声结构是由布有穿孔的板材与板后空腔组成的空腔共振式构件。第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理（二）穿孔板吸声结构穿孔板吸声结构吸声机理是，当声波进入小孔后便激发腔内空气振动，如果声波频率与该结构共鸣频率（穿孔板吸声结构可理解为许多亥姆霍兹共鸣器的并联）相同时，腔内空气便发生共振，并由摩擦转为热损，从而起到吸声作用。影响穿孔板吸声结构吸声特件的主要因素有穿孔率、腔深、板厚及孔径。穿孔板牺牲结构的共振频率为： 参数含义见P53)(20tTPcf第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理（三）薄膜、薄板吸声结构薄膜或薄板也能与后腔组成共振吸声结构；基本机理是，声波入射到薄膜或薄板上，将激发膜或板振动，而振动的膜或板又将激发封闭后腔内的空气振动。如果声波频率与该结构固有频率相同，则该系统发生共振，振幅振速均达极大值，能量损耗也最多，而这一损耗正是由声能提供。薄膜材料主要有人造革、塑料薄膜等：薄板材树常用胶合板、石膏板等。第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理（四）挂帘吸声结构 挂帘多为丝、棉、化纤织品，可视力多孔材料。如果将其贴墙挂置，可起到吸声材料的作用，由于很薄，只对高频声波才有吸声作用。但是，如将挂帘离开后墙一段距离，则情况大不一样，此时挂帘与后空间一起组成共振吸声结构。实验表明，当幕墙距为1030cm时，中高频段吸声系数可达0.50.7，并且距离越大，低频吸声效果越好。第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理（五）空间吸声体空间吸声体是由吸声材料或吸声结构组成的几何体。常见的有薄长方体、正方体、圆柱体、圆锥或棱锥体、劈形体。空间吸声体常悬挂在室内声能密度大的地方，这样做不仅效率高，而且有利于改善室内声场分布。例如：吸声劈可看成特殊的空间吸声体，劈长0.41m，劈尖角10o左右，劈底面与墙壁间距离1015cm，劈内填充物多为超细玻璃棉。第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理二、材料及结构吸声系数的测量（一）驻波管法驻波管法测量材料及结构的吸声系数的基本原理是：将材料或结构置于驻波管一端，一稳定单频声以平面波形式从驻波管的另一端入射到试样上，经试样反射后，反射波（亦为平面波）与入射波迭加便在管内形成个个驻波，只要用探管分别测得驻波的波腹与波节声压级值：Lpmax和Lpmin，即可有下式算出当声波垂直入射试样条件下该试样的吸声系数：或者为驻波比。其中maxmin2)1 (4ppSSSWRWRWRminmax22020)101 (104ppLLLLL其中第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理二、材料及结构吸声系数的测量（二）混响室法原理：当混响室（平均吸声系数接近0，且充分扩散、专门用于声学实验或声学测量的房间）空室时，混响时间为T1，平均吸声系数为a1；当混响室内置以面积为S2的被测样后，室的混响时间即发生变化，设为T2，有赛宾共识得出被测试样的吸声系数与上述各参量的关系为：混响室法测值a与驻波管法测值a0的换算关系：11222)11(16. 0TTSV第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理三、隔声材料与结构（一）隔声的基本参量和常用计算公式透射系数： 隔声量（透射损失）：隔声量频率特性：隔声量与入射声频率的关系，通常用1/3倍频程（100Hz3150Hz）频率为横坐标，以R（dB）为纵坐标的折线图表示。平均隔声量：各频带隔声量的算术平均值；质量定律：单层、匀质、致密、无边界隔声墙，单位面积每增加一倍，其隔声量增加6dB。1lg10R 第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理三、隔声材料与结构（一）隔声的基本参量和常用计算公式当声波垂直入射时当声波无规入射时实测表明，对于声的垂直入射，一般单层墙体每倍面积质量，R0增加值约45dB；声无规入射时，每倍面积质量，R增加值约35dB。双层墙共振频率： 式中m1、m2分别是每层墙的单位面积质量；L为两墙间距离。21011600mmLf43lg20lg20R0fm48lg20lg20Rfm第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理三、隔声材料与结构（一）隔声的基本参量和常用计算公式双层墙的附加隔声量R：如果双层墙的间隔为0，则总隔声量R为：如果双层墙间隔不为0，则总隔声量R为：48lg20)lg20R21fmm（RRR第第四四节节 吸声与隔声材料的结构与机理吸声与隔声材料的结构与机理三、隔声材料与结构（二）常用隔声构件和隔声量隔声门：隔声窗：隔声车间：隔声屏（声障）48lg20)lg20R21fmm（