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影院声学设计及处理

编辑:三弦声学 发布时间:2018-09-29 10:02

今天,小编给大家分享影院的声学设计及处理。

室内声学基础

第一章 声音的基本性质

一、声音的产生与传播

声音是人耳通过听觉神经对空气振动的主观感受。

声音产生于物体的振动,例如扬声器的纸盆、拨动的琴弦等等。这些振动的物体称之为声源。声源发声后,必须经过一定的介质才能向外传播。这种介质可以是气体,也可以是液体和固体。在受到声源振动的干扰后,介质的分子也随之发生振动,从而使能量向外传播。但必须指出,介质的分子只是在其未被扰动前的平衡位置附近作来回振动,并没有随声波一起向外移动。介质分子的振动传到人耳时,将引起人耳耳膜的振动,最终通过听觉神经而产生声音的感觉。例如,扬声器的纸盆,当音圈通过交变电流时就会产生振动。这种振动引起邻近空气质点疏密状态的变化,又随即沿着介质依次传向较远的质点,最终到达接收者。可以看出,在声波的传播过程中,空气质点的振动方向与波的传播方向相平行,所以声波是纵波。

在空气中,声音就是振动在空气中的传播,我们称这为声波。声波可以在气体、固体、液体中传播,但不能在真空中传播。
 

二、声波的频率、波长与速度

当声波通过弹性介质传播时,介质质点在其平衡位置附近作来回振动。质点完成一次完全振动所经历的时间称为周期,记为T,单位是秒(s)。质点在1秒内完成完全振动的次数称为频率,记作f,单位为赫兹(Hz),它是周期的倒数,即:f=1/T

介质质点振动的频率即声源振动的频率。频率决定了声音的音调。高频声音是高音调,低频声音是低音调。人耳能够听到的声波的频率范围约在20—20000Hz之间。低于20Hz的声波称为次声波,高于20000Hz的称为超声波。次声波与超声波都不能使人产生听感觉。

声波在其传播途径上,相邻两个同相位质点之间的距离称为波长,记为耄ノ皇敲?(m)。或者说,波长是声波在每一次完全振动周期中所传播的距离。

声波在弹性介质中传播的速度称为声速,记为v,单位是米/秒(m/s)。声速不是介质质点振动的速度,而是质点振动状态的传播速度。它的大小与质点振动的特性无关,而与介质的弹性、密度以及温度有关。20度的空气中声速为344米/秒。

声学测量中常常在某一频率区间取特定值进行测量。这个频率区间称之为频带(Frequencyband)。由上限频率f2和下限频率f1规定宽带。f1、f2间隔可以用频率比或以2为底的对数表示,称为频程。关系式:f2=2^nf1

当n=1时,称为1/1倍频程(Octave),即每个频带是上限频率为下限频率两倍的频带宽度,即f2=2f1。

当n=1/3时,称为1/3倍频程,即每个频带是上限频率为下限频率1.26倍的频带宽度,即f2=1.26f1。

为了某种特殊的需要,更窄的频带有1/10倍频程、1/12倍频程、1/15倍频程、1/30倍频程等等。

1/1倍频程对应于音乐上的一个八度。

在房屋建筑中,频率为100-10000Hz的声音很重要。它们的波长范围相当于3.4-0.034m。这个波长范围与建筑内部的一些部件尺度相近,故在处理一些建筑声学问题时,对这一波段的声波尤其要引起重视。

 

三、声功率级、声强级和声压级

声功率级:

声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能,用W表示,单位为瓦(W)或微瓦(uW)。为了计算方便,通常用一个声功率基准量10-12W作参考量,把声功率与之相比取常用对数,乘以10,称为声功率级,即Lw=10lg(W/Wo)

这里Lw为声功率级(dB),W为声功率,Wo为基准声功率。

声强级:单位时间内通过垂直于声传播方向的面积S(m2)的平均声能量称为平均声能量流或平均声能通量。单位面积上的平均声能通量就称为声强,记为I(W/m2)。为了计算方便,通常用一个声强基准量值10-12W/m2作参考量,把声强与之相比取常用对数,乘以20,称为声强级,即

Li=10lg(I/Io)

这里Li为声强级(dB),I为声强(W/m2),Io为基准声强。

声压级(SPL):声波在媒介中传播时,媒介某点由于受声波扰动后压强超过原先静压力的值,取均方根后的值称为声压。人耳在最低闻阀到痛阀之间相差100万倍,为了计量方便,把声压基准值20×10^-6(N/m^2)作参考量,把声压与之相比取常用对数,乘以20,称为声压级,即

Lp=20lo(P/Po)

这里Lp为声压级(dB),P为声压(N/m2或Pa),Po为基准声压。

 

四、声波的反射、扩散、衍射与干涉

1.声波的镜像反射

声波在前进过程中,如果遇到尺寸大于波长的界面,则声波将被反射。入射角等于反射角。反射的声能与界面的吸声系数有关。

2.声波的扩散反射

声波在传播的过程中,如果遇到一些凸形的界面,就会被分解成许多较小的反射声波,并且使传播的立体角扩大,这种现象称之为扩散反射。适当的声波扩散反射,可以促进声音分布均匀,并可防止一些声学缺陷的出现。

要设计一个好的扩散体必须要考虑它的大小和密度。

3、声波的衍射

当声波波长小于等于障碍物的尺寸时,会绕过去,称为衍射。

4、声波的干涉

频率相同的声波相遇后会产生干涉现象,相位相同的声波叠加后,幅度倍增,相位相反则抵消。声波干涉的结果造成频率响应特性出现峰和谷的波动,其形状象“梳子”,因此又称为梳状滤波器特性(效应)。直达声和反射声来自同一声源,因而频率相同,由于经过的路径长短不同,就会产生相位差,从而会产生干涉现象。

 

第二章 室内声场

一、自由声场与室外声场

传播声波的空间称为声场,声场分自由声场、扩散声场(混响声场)和半自由声场。

所谓自由声场,即在声波传播的空间中无反射面,声源在该声场中发声,在声场中的任一点只有直达声,无反射声。消声室就是人造的自由声场。电声设备的都要在消声室中进行。

在室外,某点声源发出的球面声波,其波阵面连续向外扩张,随着声波与声源距离的增加,声能迅速衰减。当点声源向没有反射面的自由空间辐射声能时,声波以球面波的形式辐射。这时,任何一点上的声强遵循与距离平方成反比的定律。如果用声压级表示,则距离增加一倍,声压级衰减6dB。

 

二、室内声场

在室内,声波在封闭空间中的传播及其特性比在露天场合要复杂得多。这时,声波将受到封闭空间各个界面,如顶棚、地面、墙壁等的反射、吸收与透射。室内声场因而存在着许多与自由声场不同的声学问题。研究室内声场,对室内音质设计和噪声控制具有重要的意义。

室内声场的特点

(1)声波在各个界面引起一系列的反射,吸收与透射;

(2)与自由声场有不同的音质;

(3)由于房间的共振可能引起某些频率的声音被加强或减弱;

(4)声能的空间分布发生了变化。

 

三、房间共振(驻波)

当声波在两面平等的墙之间传播时,如果墙面之间的距离等于半波长的整数倍时,就会产生驻波。房间中的低频驻波也称为房间模式(RoomMode)。

在一房间中,空气振动的共振频率主要由房间的大小来决定。而房间内所激发的共振频率的分布则决定于房间的比例。共振频率的计算很复杂,一般都用软件来计算。

小房间(长5m,宽4m,高3m)低频声场的仿真:

消除驻波的最佳方法是改变房间的形状,使墙面不平行,或将墙成做成弧形。

 

四、混响与回声

混响是室内的声学现象。声音由声源发出后,在空气中传播,传播过程中在房间的界面上产生反射、吸收、扩散、透射、干涉和衍射等波动作用,形成复杂的室内声场,使人产生混响感。声源停止发声后,室内声场会持续一段时间。

混响是室内声反射和声扩散共同作用的结果。同样是源于反射,但由于人耳的听闻特性,混响和回声有明显的不同。

声源的直达声和近次反射声相继到达人耳,延迟时间小于30ms时,一般人耳不能区分出来,仅能觉察到音色和响度的变化,人们感觉到混响。但当两个相继到达的声音时差超过50ms时(相当于直达声与反射声之间的声程差大于17m),人耳能分辩出来自不同方向的两个独立的声音,这时有可能出现回声。回声的感觉会妨碍音乐和语言的清晰度(可懂度),要避免。

 

五、混响时间

当室内声场达到稳态,声源停止发声后,声压级降低60dB所需要的时间称为混响时间,记作T60或RT,单位是秒(s)。

混响时间是目前音质设计中能定量估算的重要评价指标。它直接影响厅堂音质的效果。房间的混响长短是由它的吸音量和体积大小所决定的,体积大且吸音量小的房间,混响时间长,吸音量大且体积小的房间,混响时间就短。混响时间过短,声音发干,枯燥无味,不亲切自然;混响时间过长,会使声音含混不清;合适时声音圆润动听。

Sabine公式,适用于嵝∮?0.2的较活跃的房间:

式中:V为房间容积,单位为m^3(立方米);S为房间表面积的总和,单位为m^2(平方米);嵛考浔砻婊钠骄凳俜致剩籗岬牡ノ晃猰^2(平方米)。K为与湿度有关的常数,一般取K=0.161s/m。

Eyring公式,适用于岽笥?0.2的建声条件良好的房间:

式中4mV为空气系数系数值,m为空气吸声系数,(它不但与频率有关,还与温度和温度有关)。其它与上式一样。

混响时间的大小与频率相关,低频、中频、高频的混响时间是不一样的。一般所说的混响时间都是指平均混响时间。

 

六、临界距离(CriticalDistance)

就是在声源轴线方向上,直达声与混响声声能相等处的距离。临界距离在全频带内是不同的。回声越强的房间临界距离越近,吸音越强的房间,临界距离越远。(临界距离在全频带内是不同的)。

好的声学设计,临界距离要离声源尽可能远,结果在全频带内混响最小最平坦。直达声从扬声器系统开始递补减,是距离的函数(平方反比定律),但混响恒定地散布房间(新的声音不断从扬声器发出,混响不断建立,直到新的声音与被吸收的声音相等,因此混响保持恒定。)两曲线的交点就是临界距离。

最佳听音区一定位于临界距离内,因为临界距离是以直达声为主,清晰度和声像定位最好。

房间无吸声时的临界距离距声源很近,这种房间只适合近声场听音。

在吸声的房间中,临界距离被推向后墙,使最佳听音区变宽。上图中,附加的好处是漏到室外的声压降低了20dB,降低了对隔音的要求。

当混响声比直达声大12db以上,声音清晰度将全部失去。

寻找临界距离的最简单方法为:用音响系统播放压缩的流行音乐,开始用一个音箱(左或右),在房间里来回地走,很容易就能找到临界距离。用另一个音箱重复一遍,再同时用两个音箱重复一遍。与声学测量相比较,你会对人耳的精确性感到惊讶。

混响越强的房间临界距离越近。

吸声越强的房间临界距离越远。

近声场或直达声场在临界距离内。

远声场或反射声场(混响)在临界距离外。

 

第三章 听音室的基本要求

听音室的设计要遵循一些基本的原则:

一、选择合适的房间比例、或使墙面不平行、或增加扩散,避免或减轻驻波的影响。

二、混响时间合适,使临界距离尽可能远。

三、吸收一次反射声,减轻一次反射声对直达声的干涉。

四、尽量吸声,如不能使吸声达到要求,则尽量对反射声进行扩散,使声场尽量均匀。

 

一个简单的声学处理实例如下:

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