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混響與擴(kuò)散的基本理論

室內(nèi)聲場的統(tǒng)計研究是以分析室內(nèi)混響過程為其主要內(nèi)容的。將統(tǒng)計聲學(xué)用于分析室內(nèi)聲場時,要滿足的第一個條件則是這一聲場必須是擴(kuò)散聲場?梢,擴(kuò)散與混響有著十分密切的關(guān)系。

可以對混響作以下描述:在室內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)定的情況下,聲源停止發(fā)聲,由于聲音的多次反射或散射,而使其延續(xù)的現(xiàn)象即為混響。這種現(xiàn)象是封閉空間中(室內(nèi))聲場的一個重要特征。

脈沖反向積分法測量混響時間

——德國人施羅德的貢獻(xiàn)

試考慮一種極端的情況。設(shè)想一束聲波(可用一條聲線代表)在一個形狀不規(guī)則的剛性壁面的大房間中傳播。顯然,這一聲束在到達(dá)邊界面(壁面、天花板或地面)之前,它是以直線方式傳播的。一旦到達(dá)某一邊界面,它就按照反射定律反射。經(jīng)反射后的這一聲束將改變原來的傳播方向繼續(xù)傳播,經(jīng)過某一傳播距離之后,它又到達(dá)另一邊界面,并再次反射,以新的傳播方向又繼續(xù)向前傳播,依此類推。

對于形狀不規(guī)則的大房間而言,任何方向的入射波經(jīng)過若干次反射之后,總可以改變?yōu)檠啬骋惶囟ǚ较騻鞑サ姆瓷渎。由于聲波在室?nèi)各反射面上連續(xù)反射,并不斷改變其傳播方向,這種能使室內(nèi)任一位置上的聲波可以沿所有方向傳播的聲場稱為擴(kuò)散聲場。這里所說的“擴(kuò)散”,具有明確的物理意義。

 

嚴(yán)格意義上的擴(kuò)散聲場必須滿足以下三個條件

室內(nèi)的聲能密度均勻,即聲能密度處處相等;

聲能在室內(nèi)各個方向傳遞的幾率相等;

從室內(nèi)各個方向到達(dá)任一點(diǎn)的聲波,其相位是無規(guī)的。

在這樣的聲場中,聲波無論在空間位置上,還是在傳播方向上都不會一成不變地“聚集”在一起,而是隨著傳播過程的進(jìn)行逐漸擴(kuò)展,并分散開來,直至充滿全部空間并遍及所有方向。

在一般情況下,擴(kuò)散聲場的條件是難以滿足的,但在一定條件下,把不規(guī)則的大房間中的聲場近似地作為擴(kuò)散聲場處理,所得的結(jié)果與實(shí)際情況相差不大。然而,如果房間的形狀簡單而規(guī)則,情況則不然。這時在室內(nèi)就可能出現(xiàn)聲場的嚴(yán)重“不擴(kuò)散”狀況,聲波就可能在某些位置或某些方向上特別加強(qiáng),而在另一些位置或方向上特別削弱。

例如在圓形大廳中,聲波將聚集在大廳中部;在正方形房間中,沿某些方向的駐波將較強(qiáng)等等。為了盡可能在室內(nèi)形成擴(kuò)散聲場,應(yīng)避免采用凹形壁面,而凸面反射體的正確使用,則是使室內(nèi)聲場趨向擴(kuò)散的一種有效方法,這種能夠促進(jìn)聲場擴(kuò)散的反射體通常稱為聲擴(kuò)散體。

賽賓與混響時間

——賽賓,建筑聲學(xué)創(chuàng)始人

以上分析討論中,實(shí)質(zhì)上包含著幾何聲學(xué)的基本概念。因此,雖然可以對室內(nèi)聲場與體型之間的關(guān)系作定性的說明,但卻難以對某些假定作出明確的解析。例如,為什么要假定是形狀不規(guī)則的大房間?對于小房間,即使形狀不規(guī)則的小房間是否適用呢?對于這類問題,只能用封閉空間聲場的波動理論才可能獲得滿意的說明。哪怕因計算異常繁雜而難以得到定量的結(jié)果,但在理論上至少可以給予指導(dǎo)性的解析。

混響聲場通常指的是由反射聲形成的聲場。嚴(yán)格地說,它必須是擴(kuò)散聲場,亦即滿足擴(kuò)散聲場的要求是混響聲場的必要條件。在實(shí)際應(yīng)用中,由于擴(kuò)散聲場的要求大多數(shù)是難以滿足的,所指的混響聲場基本上是通常意義上的反射聲形成的聲場。明確這一點(diǎn)是重要的,因?yàn)檫@是統(tǒng)計理論所得的結(jié)果與實(shí)際情況有一定距離的一個重要原因。


混響聲場的推薦值(500Hz)

混響對房間的音質(zhì)有重要影響,它是決定房間音質(zhì)的必要條件。因此,有必要對其進(jìn)行定量量度。這—工作首先由W·C·賽賓 (Sabine) 于二十世紀(jì)初提出并加以實(shí)踐。為了使混響的量度僅僅取決于房間本身的聲學(xué)特性,而排除其它因素(如室內(nèi)原聲場聲級的大小及背景噪聲水平等)的影響,使其具有良好的重復(fù)性,目前國際上公認(rèn)的是以室內(nèi)聲場的聲能密度衰減到原始值的百萬分之一時所經(jīng)過的時間進(jìn)行量度,稱為混響時間

因此,混響時間可定義為室內(nèi)聲音已達(dá)到穩(wěn)態(tài)后停止聲源發(fā)聲,平均聲能密度自原始值衰減60分貝所需的時間,并用T60 或RT表示。在實(shí)際測量時,由于種種條件的限制,往往不可能獲得衰減60分貝的相應(yīng)時間,通常以開始一段的聲壓級衰變情況為基本依據(jù),然后外推導(dǎo)衰變60分貝時所需要的時間。通常以T20、T30 來做推導(dǎo)。

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