室內(nèi)聲學(xué)基礎(chǔ)與音箱擺位

1、· 第一章 聲音的基本性質(zhì) 一、聲音的產(chǎn)生與傳播 聲音是人耳通過聽覺神經(jīng)對空氣振動(dòng)的主觀感受。 聲音產(chǎn)生于物體的振動(dòng)，例如揚(yáng)聲器的紙盆、撥動(dòng)的琴弦等等。這些振動(dòng)的物體稱之為聲源。聲源發(fā)聲后，必須經(jīng)過一定的介質(zhì)才能向外傳播。這種介質(zhì)可以是氣體，也可以是液體和固體。在受到聲源振動(dòng)的干擾后，介質(zhì)的分子也隨之發(fā)生振動(dòng)，從而使能量向外傳播。但必須指出，介質(zhì)的分子只是在其未被擾動(dòng)前的平衡位置附近作來回振動(dòng)，并沒有隨聲波一起向外移動(dòng)。介質(zhì)分子的振動(dòng)傳到人耳時(shí)，將引起人耳耳膜的振動(dòng)，最終通過聽覺神經(jīng)而產(chǎn)生聲音的感覺。例如，揚(yáng)聲器的紙盆，當(dāng)音圈通過交變電流時(shí)就會產(chǎn)生振動(dòng)。這種振動(dòng)引起鄰近空氣質(zhì)點(diǎn)疏密狀

2、態(tài)的變化，又隨即沿著介質(zhì)依次傳向較遠(yuǎn)的質(zhì)點(diǎn)，最終到達(dá)接收者?？梢钥闯?，在聲波的傳播過程中，空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相平行，所以聲波是縱波。    揚(yáng)聲器紙盒就相當(dāng)于上圖中的活塞。    在空氣中，聲音就是振動(dòng)在空氣中的傳播，我們稱這為聲波。聲波可以在氣體、固體、液體中傳播，但不能在真空中傳播。 二、聲波的頻率、波長與速度 當(dāng)聲波通過彈性介質(zhì)傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近作來回振動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)完成一次完全振動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間稱為周期，記為 T，單位是秒(s)。質(zhì)點(diǎn)在1秒內(nèi)完成完全振動(dòng)的次數(shù)稱為頻率，記作 f，單位為赫茲(Hz)，它是周期的倒數(shù)，即： f=1

3、/T       介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率即聲源振動(dòng)的頻率。頻率決定了聲音的音調(diào)。高頻聲音是高音調(diào)，低頻聲音是低音調(diào)。人耳能夠聽到的聲波的頻率范圍約在2020000Hz之間。低于20Hz的聲波稱為次聲波，高于20000Hz的稱為超聲波。次聲波與超聲波都不能使人產(chǎn)生聽感覺。 聲波在其傳播途徑上，相鄰兩個(gè)同相位質(zhì)點(diǎn)之間的距離稱為波長，記為 ，單位是米(m)?；蛘哒f，波長是聲波在每一次完全振動(dòng)周期中所傳播的距離。 聲波在彈性介質(zhì)中傳播的速度稱為聲速，記為 v，單位是米/秒(m/s)。聲速不是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的速度，而是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)狀態(tài)的傳播速度。它的大小與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的特性無關(guān)

4、，而與介質(zhì)的彈性、密度以及溫度有關(guān)。20度的空氣中聲速為 344米/秒。    頻率、波長、周期和聲速有如下關(guān)系：        c=f 或 c=/T    聲學(xué)測量中常常在某一頻率區(qū)間取特定值進(jìn)行測量。這個(gè)頻率區(qū)間稱之為頻帶（Frequency band）。由上限頻率 f2 和下限頻率 f1 規(guī)定寬帶。f1、f2 間隔可以用頻率比或以2為底的對數(shù)表示，稱為頻程。關(guān)系式：         f2=2n f1    當(dāng)n

5、=1時(shí)，稱為1/1倍頻程(Octave)，即每個(gè)頻帶是上限頻率為下限頻率兩倍的頻帶寬度，即f2=2f1。    當(dāng)n=1/3時(shí)，稱為1/3倍頻程，即每個(gè)頻帶是上限頻率為下限頻率1.26倍的頻帶寬度，即f2=1.26 f1。    為了某種特殊的需要，更窄的頻帶有1/10倍頻程、1/12倍頻程、1/15倍頻程、1/30倍頻程等等。    1/1倍頻程對應(yīng)于音樂上的一個(gè)八度。在房屋建筑中，頻率為100-10000Hz的聲音很重要。它們的波長范圍相當(dāng)于3.4-0034m。這個(gè)波長范圍與建筑內(nèi)部的一些部件尺度相近，故在處理一些建筑聲學(xué)問題時(shí)，

6、對這一xxx的聲波尤其要引起重視。    三、聲功率級、聲強(qiáng)級和聲壓級    聲功率級：    聲功率是指聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能，用W表示，單位為瓦(W)或微瓦(uW)。為了計(jì)算方便，通常用一個(gè)聲功率基準(zhǔn)量10-12W作參考量，把聲功率與之相比取常用對數(shù)，乘以10，稱為聲功率級，即         Lw=10lg(W/Wo)    這里L(fēng)w為聲功率級(dB)，W為聲功率，Wo為基準(zhǔn)聲功率。    聲強(qiáng)級：   

7、; 單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲傳播方向的面積S (m2)的平均聲能量稱為平均聲能量流或平均聲能通量。單位面積上的平均聲能通量就稱為聲強(qiáng)，記為 I (W/m2)。為了計(jì)算方便，通常用一個(gè)聲強(qiáng)基準(zhǔn)量值10-12W/m2作參考量，把聲強(qiáng)與之相比取常用對數(shù)，乘以20，稱為聲強(qiáng)級，即        Li=10lg(I/Io)    這里L(fēng)i為聲強(qiáng)級(dB)，I為聲強(qiáng)(W/m2)，Io為基準(zhǔn)聲強(qiáng)。        聲壓級(SPL)：    聲波在媒介中傳播時(shí)，媒介某點(diǎn)由于受

8、聲波擾動(dòng)后壓強(qiáng)超過原先靜壓力的值，取均方根后的值稱為聲壓。人耳在最低聞閥到痛閥之間相差100萬倍，為了計(jì)量方便，把聲壓基準(zhǔn)值20×10-6 (N/m2)作參考量，把聲壓與之相比取常用對數(shù)，乘以20，稱為聲壓級，即        Lp=20lo(P/Po)    這里L(fēng)p為聲壓級(dB)，P為聲壓(N/m2或Pa)，Po為基準(zhǔn)聲壓。     四、聲波的反射、擴(kuò)散、衍射與干涉 1聲波的鏡像反射 聲波在前進(jìn)過程中，如果遇到尺寸大于波長的界面，則聲波將被反射。入射角等于反射角。反射的聲能與界面

9、的吸聲系數(shù)有關(guān)。 2聲波的擴(kuò)散反射 聲波在傳播的過程中，如果遇到一些凸形的界面，就會被分解成許多較小的反射聲波，并且使傳播的立體角擴(kuò)大，這種現(xiàn)象稱之為擴(kuò)散反射。適當(dāng)?shù)穆暡〝U(kuò)散反射，可以促進(jìn)聲音分布均勻，并可防止一些聲學(xué)缺陷的出現(xiàn)。    從上圖中可看出，要設(shè)計(jì)一個(gè)好的擴(kuò)散體必須要考慮它的大小和密度。    3、聲波的衍射    當(dāng)聲波波長小于等于障礙物的尺寸時(shí)，會繞過去，稱為衍射。    4、聲波的干涉    頻率相同的聲波相遇后會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，相位相同的聲波疊加后，幅度倍增，相位相反則抵消。聲

10、波干涉的結(jié)果造成頻率響應(yīng)特性出現(xiàn)峰和谷的波動(dòng)，其形狀象“梳子”，因此又稱為梳狀濾波器特性(效應(yīng))。直達(dá)聲和反射聲來自同一聲源，因而頻率相同，由于經(jīng)過的路徑長短不同，就會產(chǎn)生相位差，從而會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。    五、聲波的吸收與透射    當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)時(shí)，聲能的一部分被反射；一部分透過物體繼續(xù)傳播，稱為透射；另一部分由于物體的振動(dòng)或聲音在物體內(nèi)部傳播時(shí)介質(zhì)的磨擦或熱傳導(dǎo)而被損耗，稱為材料的吸收。    透射聲能與入射聲能之比稱為透射系數(shù) 。    反射聲能與入射聲能之比稱為反射系數(shù) 。 

11、  通常將值小的材料用作隔聲材料，將 值小的材料用作吸聲材料。    定義吸聲系數(shù) =1-。    =0，入射聲能全部被反射；=1時(shí)，入射聲能全部被吸收。敝開的窗戶吸聲系數(shù)為1。    吸聲系數(shù)的大小與頻率相關(guān)，通常我們所說的吸聲系數(shù)是平均吸聲系數(shù)。第二章 室內(nèi)聲場一、自由聲場與室外聲場    傳播聲波的空間稱為聲場，聲場分自由聲場、擴(kuò)散聲場(混響聲場)和半自由聲場。    所謂自由聲場，即在聲波傳播的空間中無反射面，聲源在該聲場中發(fā)聲，在聲場中的任一點(diǎn)只有直達(dá)聲，無反射聲。消聲室就是

12、人造的自由聲場。電聲設(shè)備的都要在消聲室中進(jìn)行。 在室外，某點(diǎn)聲源發(fā)出的球面聲波，其波陣面連續(xù)向外擴(kuò)張，隨著聲波與聲源距離的增加，聲能迅速衰減。當(dāng)點(diǎn)聲源向沒有反射面的自由空間輻射聲能時(shí)，聲波以球面波的形式輻射。這時(shí)，任何一點(diǎn)上的聲強(qiáng)遵循與距離平方成反比的定律。如果用聲壓級表示，則距離增加一倍，聲壓級衰減 6dB。    二、室內(nèi)聲場    在室內(nèi)，聲波在封閉空間中的傳播及其特性比在露天場合要復(fù)雜得多。這時(shí)，聲波將受到封閉空間各個(gè)界面，如頂棚、地面、墻壁等的反射、吸收與透射。室內(nèi)聲場因而存在著許多與自由聲場不同的聲學(xué)問題。研究室內(nèi)聲場，對室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)和噪聲控

13、制具有重要的意義。    室內(nèi)聲場的特點(diǎn)    (1)聲波在各個(gè)界面引起一系列的反射，吸收與透射；    (2)與自由聲場有不同的音質(zhì)；    (3)由于房間的共振可能引起某些頻率的聲音被加強(qiáng)或減弱；    (4)聲能的空間分布發(fā)生了變化。    三、房間共振(駐波)    當(dāng)聲波在兩面平等的墻之間傳播時(shí)，如果墻面之間的距離等于半波長的整數(shù)倍時(shí)，就會產(chǎn)生駐波。房間中的低頻駐波也稱為房間模式(Room Mode)。    在一房間中，空氣

14、振動(dòng)的共振頻率主要由房間的大小來決定。而房間內(nèi)所激發(fā)的共振頻率的分布則決定于房間的比例。共振頻率的計(jì)算很復(fù)雜，一般都用軟件來計(jì)算。    消除駐波的最佳方法是改變房間的形狀，使墻面不平行，或?qū)Τ勺龀苫⌒巍?#160;   四、混響與回聲    混響是室內(nèi)的聲學(xué)現(xiàn)象。聲音由聲源發(fā)出后，在空氣中傳播，傳播過程中在房間的界面上產(chǎn)生反射、吸收、擴(kuò)散、透射、干涉和衍射等波動(dòng)作用，形成復(fù)雜的室內(nèi)聲場，使人產(chǎn)生混響感。聲源停止發(fā)聲后，室內(nèi)聲場會持續(xù)一段時(shí)間。    混響是室內(nèi)聲反射和聲擴(kuò)散共同作用的結(jié)果。同樣是源于反射，但由于人耳的聽聞

15、特性，混響和回聲有明顯的不同。    聲源的直達(dá)聲和近次反射聲相繼到達(dá)人耳，延遲時(shí)間小于30ms時(shí)，一般人耳不能區(qū)分出來，僅能覺察到音色和響度的變化，人們感覺到混響。但當(dāng)兩個(gè)相繼到達(dá)的聲音時(shí)差超過50ms時(shí)（相當(dāng)于直達(dá)聲與反射聲之間的聲程差大于17m），人耳能分辯出來自不同方向的兩個(gè)獨(dú)立的聲音，這時(shí)有可能出現(xiàn)回聲?；芈暤母杏X會妨礙音樂和語言的清晰度（可懂度），要避免。    五、混響時(shí)間    當(dāng)室內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)，聲源停止發(fā)聲后，聲壓級降低60dB所需要的時(shí)間稱為混響時(shí)間，記作T60或RT，單位是秒（s）。   

16、混響時(shí)間是目前音質(zhì)設(shè)計(jì)中能定量估算的重要評價(jià)指標(biāo)。 它直接影響廳堂音質(zhì)的效果。房間的混響長短是由它的吸音量和體積大小所決定的，體積大且吸音量小的房間，混響時(shí)間長，吸音量大且體積小的房間，混響時(shí)間就短。混響時(shí)間過短，聲音發(fā)干，枯燥無味，不親切自然；混響時(shí)間過長，會使聲音含混不清；合適時(shí)聲音圓潤動(dòng)聽。    Sabine公式，適用于小于0.2的較活 躍的房間：            式中：V為房間容積 ，單位為m3(立方米）；S為房間表面積 的總和，單位為m2(平方米）；為房間表面積的平均吸聲系數(shù)，

17、百分率；S的單位為m2 (平方 米）。K為與濕度有關(guān)的常數(shù)，一般取K=0.161s/m。          Eyring公式，適用于大于0.2的建聲條件良好的房間：            式中4mV為空氣系數(shù) 系數(shù)值，m為空氣吸聲系數(shù)，（它不但與 頻率有關(guān)，還與溫度和溫度有關(guān)）。其它與上式一樣。    混響時(shí)間的大小與頻率相關(guān)，低頻、中頻、高頻的混響時(shí)間是不一樣的。一般所說的混響時(shí)間都是指平均混響時(shí)間。    六、臨

18、界距離(Critical Distance)    就是在聲源軸線方向上，直達(dá)聲與混響聲聲能相等處的距離。臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的?；芈曉綇?qiáng)的房間臨界距離越近，吸音越強(qiáng)的房間，臨界距離越遠(yuǎn)。(臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的)。    好的聲學(xué)設(shè)計(jì)，臨界距離要離聲源盡可能遠(yuǎn)，結(jié)果在全頻帶內(nèi)混響最小最平坦。直達(dá)聲從揚(yáng)聲器系統(tǒng)開始遞補(bǔ)減，是距離的函數(shù)(平方反比定律)，但混響恒定地散布房間（新的聲音不斷從揚(yáng)聲器發(fā)出，混響不斷建立，直到新的聲音與被吸收的聲音相等，因此混響保持恒定。） 兩曲線的交點(diǎn)就是臨界距離。    最佳聽音區(qū)一定位于臨界距離內(nèi)

19、，因?yàn)榕R界距離是以直達(dá)聲為主，清晰度和聲像定位最好。    房間無吸聲時(shí)的臨界距離距聲源很近，這種房間只適合近聲場聽音。    在吸聲的房間中，臨界距離被推向后墻，使最佳聽音區(qū)變寬。上圖中，附加的好處是漏到室外的聲壓降低了20dB，降低了對隔音的要求。    當(dāng)混響聲比直達(dá)聲大 12db 以上，聲音清晰度將全部失去。    尋找臨界距離的最簡單方法為：用音響系統(tǒng)播放壓縮的流行音樂，開始用一個(gè)音箱(左或右)，在房間里來回地走，很容易就能找到臨界距離。用另一個(gè)音箱重復(fù)一遍，再同時(shí)用兩個(gè)音箱重復(fù)一遍。與聲學(xué)測量相比較，你

20、會對人耳的精確性感到驚訝。    混響越強(qiáng)的房間臨界距離越近。    吸聲越強(qiáng)的房間臨界距離越遠(yuǎn)。    近聲場或直達(dá)聲場在臨界距離內(nèi)。    遠(yuǎn)聲場或反射聲場（混響）在臨界距離外。第三章 聽音室的基本要求    聽音室的設(shè)計(jì)要遵循一些基本的原則：    一、選擇合適的房間比例、或使墻面不平行、或增加擴(kuò)散，避免或減輕駐波的影響。    二、混響時(shí)間合適，使臨界距離盡可能遠(yuǎn)。    三、吸收一次反射聲，減輕一次反射聲對直達(dá)聲的干涉。

21、60;   四、盡量吸聲，如不能使吸聲達(dá)到要求，則盡量對反射聲進(jìn)行擴(kuò)散，使聲場盡量均勻。    一個(gè)簡單的聲學(xué)處理實(shí)例如下：縱波.gif (46.42 KB)2008-9-29 09:08 PM聲波波形.gif (36.62 KB)2008-9-29 09:08 PMreflector.gif (4.08 KB)2008-9-29 09:08 PM波的干擾-駐波.gif (97.26 KB)2008-9-29 09:08 PM反射、吸收與擴(kuò)散.gif (13.11 KB)2008-9-29 09:08 PM聲場.gif (27.35 KB)2008-9-29 09

22、:08 PM三維房間模式.jpg (28.16 KB)2008-9-29 09:08 PMa04_T60.gif (2.79 KB)2008-9-29 09:08 PM臨界距離.gif (3.09 KB)2008-9-29 09:08 PM無吸聲時(shí)臨界距離.gif (7.8 KB)2008-9-29 09:08 PM有吸聲時(shí)臨界距離.gif (7.98 KB)2008-9-29 09:08 PM最佳混響.gif (18.06 KB)2008-9-29 09:08 PM典型聽音室.gif (8.25 KB)2008-9-29 09:08 PM簡單聲學(xué)處理.gif (6.62 KB)2008-9-29 09:08 PM音箱的擺位與聲學(xué)很多燒友都廢盡心思反復(fù)調(diào)整自己音箱的擺位，以期得到最佳的重放效果。有時(shí)效果很好，有時(shí)沒有效果，有時(shí)甚至適得其反。那么，這里面究竟包含著哪些聲學(xué)道理呢，今天就想與大家探討探討。    這是聲音二次反射的結(jié)果，在沒有進(jìn)行有效的聲學(xué)治理前，二次反射的影響是不可避免的，調(diào)整音箱的擺位就是讓它的影響盡可能小。    一、調(diào)整音箱離側(cè)墻的距離