第四章 音頻技術

第四章音頻技術第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)室內(nèi)聲場室內(nèi)聲場的基本特征聲源以及接收器所處的空間有兩大類：一是自由空間。典型的自由空間是消聲室。它是一種聲波可以“自由”傳播而不存在反射聲的專門場所。無限寬廣的室外空間可以粗略地看成是自由空間。另一是封閉空間。任何室內(nèi)空間，如大型廳堂、體育館、演播廳、錄音棚、播音室、洗手間等等，都是封閉空間的典型例子。2023/5/5第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)室內(nèi)聲場從聲學性質上講，聲源在自由空間中形成的是自由聲場，而在封閉空間內(nèi)形成的則要考慮到聲波的反射、聲波的吸收、聲波的共振等因素，往往要把它們作為混響聲場（室內(nèi)聲場）來處理。室內(nèi)聲場是指聲源輻射的聲波在封閉的室內(nèi)傳播時所形成的聲場。2023/5/5第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（一）室內(nèi)聲場的組成直達聲：聲源直接傳到聽者耳朵中的聲音前期反射聲（近次反射聲）：延遲時間小于50ms的反射聲混響聲：經(jīng)過眾多反射面，眾多反射間隔較小2023/5/5第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（二）簡正方式和簡正頻率 駐波條件：L=n×λ/2

式中：（n＝1，2，3，…），λ相應波長 按駐波條件形成的每一個駐波稱為房間的一個簡正方式，其相應的頻率為簡正頻率。

2023/5/5第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四ＸＹＺＯ1232023/5/5第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四簡正頻率相同而簡正方式不同的現(xiàn)象，稱之為簡正頻率的“簡并”。聲染色：聲場中某些頻率成分得以加強2023/5/5第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（三）室內(nèi)聲場的基本特征室內(nèi)聲源輻射的連續(xù)穩(wěn)定聲波，室內(nèi)各受音點接受到的聲壓值也是穩(wěn)定的，聲壓隨聲源距衰減沒有室外明顯。由于室的周邊對聲的反射作用，室內(nèi)聲源停止發(fā)聲后，室內(nèi)聲并不立即停止，而是繼續(xù)持續(xù)以段時間，這種聲的殘響現(xiàn)象通常稱之為混響。由于室形狀的復雜性，聲波在室內(nèi)傳播時，還會產(chǎn)生回聲、聚焦以及聲染色等特異聲現(xiàn)象。2023/5/5第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四混響和混響時間（一）室內(nèi)聲場的建立穩(wěn)定和衰減聲源在單位時間內(nèi)向周圍空間輻射的聲能將與室的內(nèi)周邊界面在同一時間內(nèi)吸收的聲能相等，此時達到穩(wěn)定值4W/cA。其中Ｗ為聲源聲功率，ｃ為聲速，Ａ＝Ｓā為室內(nèi)表面吸聲總量。室內(nèi)聲能從穩(wěn)定值逐漸衰減為0的過程為衰減過程。

2023/5/5第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5當聲波遇到界面時，一部分被反射回來，一部分進入界面。進入界面的聲波，由于界內(nèi)材料的吸收作用，部分聲能轉化為熱能而被消耗，這就是聲波的吸收。還有部分繼續(xù)傳播，稱之為透射。第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（二）混響時間的計算混響時間對人的聽音效果影響很大。1、混響時間的定義T60我們定義Lp衰減60(dB)的時間或聲強衰減為原來百萬分之一的時間。2023/5/5第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2、賽賓(W.C.Sabine)公式Ｖ為室容積，Ｓ為聲室的內(nèi)界面面積，ā為聲室內(nèi)界面平均吸聲系數(shù)。2023/5/5第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3、艾潤(C.F.Eyring)公式4、其它混響公式ｍ為空氣對聲波的吸收衰減率2023/5/5第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四習題1：某房間的長11m，寬7m，高5m，已知平均吸聲系數(shù)0.02，滿場為60人，每個人的吸聲量Ａ為0.38，求T60和T60滿？2023/5/5第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四習題2某房間的兩側墻面積S1=300m2，吸聲系數(shù)為0.02，兩端墻S2=150m2，吸聲系數(shù)為0.026，頂棚S3=300m2,吸聲系數(shù)為0.68水泥地面S4=300m2，吸聲系數(shù)為0.02，室內(nèi)有250張椅子，每張的吸聲量Ａ為0.14，求房間的混響時間T60是多少？2023/5/5第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四（三）混響時間的頻率特性

室內(nèi)各界面材料或界面結構對不同頻率聲波的吸聲系數(shù)不一樣，不同頻率的聲音混響時長也不一樣，這一特性為混響時間的頻率特性。一個房間的混響時間是指500Ｈz時的聲音。2023/5/5第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四室內(nèi)聲場分布1、房間常數(shù)假設聲場是理想的，聲場中各點混響聲的聲能密度處處相等，設Ｒ即是房間常數(shù)。房間吸聲系數(shù)越大，Ｒ越大，e越小。房間常數(shù)是房間吸聲能力及混響聲聲能密度的反應。

2023/5/5第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2、混響半徑

2023/5/5第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3、聲源指向因子 自由聲場中，聲源在某方向上某點產(chǎn)生的聲強與相同聲功率無指向聲源在該方向該點產(chǎn)生的聲強比值。 自由聲場是無反射面的聲場，或反射面ā值為1。2023/5/5第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)室內(nèi)音質的改善一、常見聲缺陷及其對音質的影響外界噪聲對室內(nèi)聲場的干擾 外界噪聲進入室內(nèi)的三條途徑：通過門、窗、管道進入；透過墻壁等傳入，二次聲源。建筑物構建受機械撞擊，振動沿隔離物傳播輻射干擾。主要以空氣傳播或固體傳聲兩種方式進入室內(nèi)。2023/5/5第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四室外噪聲對室內(nèi)音質的危害：提高了背景噪聲聲級，降低了信噪比;掩蔽作用明顯;非穩(wěn)定噪聲;破壞室內(nèi)聲場的正常分布，音質嚴重惡化。2023/5/5第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四混響時間對音質的影響混響時間過長：清晰度混響時間過短：力度混響時間頻率畸形房間大小及線度比例對簡正頻率分布的影響2023/5/5第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四二、室內(nèi)音質改善的建筑聲學方法控制噪聲和振動干擾，提高信噪比。修正混響時間及其頻率特性，以符合設計要求。2023/5/5第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四改善房間形狀、結構，提高房間擴散性能長方體形房間長、寬、高比例盡量避免1:2、1:1等簡單比例關系。房間容積應足夠大，使間隔較大的簡正頻率盡量推向很低頻段使頻率范圍內(nèi)頻率分布均勻。對長寬高比例不當?shù)姆块g，可通過空間分割盡量減少房間平行內(nèi)壁。室內(nèi)吸聲材料和吸聲結構的鋪裝以非對稱為宜。2023/5/5第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四合理設計反射面，改善前其反射聲2023/5/5第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)吸聲與隔聲材料的結構與機理一、吸聲材料與吸聲機理按吸聲機理，常用的吸聲材料與吸聲結構可分為多孔吸聲材料、共振吸聲結構和電子吸聲器。一切對入射聲波具有吸收作用的材料都是吸聲材料，通常我們指吸聲系數(shù)≥0.2的材料才稱為吸聲材料。應用于吸聲設計中的吸聲構件都稱之為吸聲結構。2023/5/5第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四多孔吸聲材料包括纖維材料和顆粒材料。纖維材料有：玻璃棉、超細玻璃棉、礦棉等無機纖維及其氈、板制品，棉、毛、麻等有機纖維織物。顆粒材料有膨脹珍珠巖、微孔磚板等塊、板制品。2023/5/5第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四靠共振作用吸聲的柔性材料（如閉孔型泡沫塑料，吸收中頻）、膜狀材料（如塑料膜或布、帆布、漆布和人造革，吸收低中頻）、板狀材料（如膠合板、硬質纖維板、石棉水泥板和石膏板，吸收低頻）和穿孔板(各種板狀材料或金屬板上打孔而制得，吸收中頻)。2023/5/5第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四電子吸聲器（有源吸聲器）：利用電子線路供給反相聲音，從而降低局部噪聲的設備。2023/5/5第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四

吸聲材料（結構）按其頻率特性來分，可分為低頻吸聲、中低頻吸聲、中高頻吸聲、高頻吸聲和全頻帶吸聲五種類型。吸聲材料的分類2023/5/5第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四多孔吸聲材料是應用最普遍的一種吸聲材料，這類材料包括玻璃棉、巖棉、礦棉等無機纖維材料及采用上述材料制成的板材和氈材，聚氨酯、聚苯烯和尿醛泡沫塑料，膨脹珍珠巖等，此外具有一定透氣性能的紡織品簾幕也可歸為這類吸聲材料。2023/5/5第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四多孔吸聲材料的結構特點是從里至外均有相當數(shù)量內(nèi)外連通的極小間隙，因而透氣性好，當聲波入射到多孔材料表面時，聲波沿微孔進入材料內(nèi)部，并激發(fā)起微孔內(nèi)的空氣振動，由于空氣的粘滯性和微孔內(nèi)相對摩擦產(chǎn)生的粘滯阻力使空氣振動，聲能不斷轉化為熱能而引起聲能衰減。因此，多孔吸聲材料在表面和內(nèi)部均應該有大量的連續(xù)的微孔或間隙，以保證材料的吸聲性能。影響多孔吸聲材料性能好壞的主要因素是材料的厚度、流阻、孔隙率、容重以及材料的背后條件、結構等因素。2023/5/5第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四1.厚度不同厚度玻璃棉板吸聲頻譜容重：24kg/m3厚度：①15mm②25mm③100mm2023/5/5第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四2.孔隙率

孔隙率是材料內(nèi)部連通孔隙體積與材料總體積之比，多孔吸聲材料的孔隙率一般在70％以上，多數(shù)達90％左右。2023/5/5第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四3.容重（密度）

容重在一定程度上可以衡量材料的孔隙率。

厚度25mm玻璃棉板不同容重吸聲頻譜容重：①32kg/m3②48kg/m3③80kg/m32023/5/5第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四4.材料背后條件

多孔吸聲材料背后留有一定深度的空腔或空氣層，其作用相同于增加材料的有效厚度，可以改善低頻吸收。

背后空氣層對玻璃棉板吸聲系數(shù)的影響空氣層深度：①0mm②16mm③50mm2023/5/5第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四5.面層的影響多孔材料油漆或涂料面層會降低材料的透氣性，在面層影響下，高中頻吸聲系數(shù)下降，低頻吸聲系數(shù)會稍有提高多孔吸聲板上油漆影響①未油漆表面②噴涂一層油漆③刷一層油漆④刷二層油漆2023/5/5第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四6.鉆孔與壓縫的影響在硬質多孔吸聲材料上鉆孔或壓縫，可使材料與聲波接觸面積增大，吸聲性能獲得改善，其改善程度主要在于中、高頻吸聲系數(shù)有所提高。2023/5/5第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四7.護面材料的影響大多數(shù)多孔吸聲材料，表面松散，強度差，需要使用護面材料來滿足建筑或裝飾需要一對護面材料要求透氣性好，否則對多孔材料的吸聲影響較大。護面材料大致可分為兩類：第一類為全透氣性材料，這類材料包括阻燃裝飾布、玻璃纖維布、麻布、金屬網(wǎng)和穿孔率超過25％的穿孔鋁板等。第二類為穿孔板的護面層，例如穿孔金屬鋁板、穿孔膠合板、穿孔石膏板、穿孔水泥板等2023/5/5第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四穿孔板吸聲結構T為腔深（cm），t為板厚（cm），Ｐ為穿孔率，

δ為板厚修正；δ＝0.8ｄ，ｄ為穿孔的孔徑（cm），Ｄ為孔距（cm）。dtT2023/5/5第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)吸聲與隔聲材料的結構與機理Ｐ穿孔率如果圓孔呈正方形排列則如果圓孔呈三角形排列則ｄ為穿孔的孔徑（cm），Ｄ為孔距（cm）。2023/5/5第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)吸聲與隔聲材料的結構與機理習題1：穿孔板厚4mm，穿孔直徑d＝8mm，鄰孔距呈等邊三角型排列，孔距D＝25mm，空腔深度T＝50mm，求共振頻率f0？習題2：穿孔板厚4mm，穿孔直徑d＝8mm，呈正方形排列，孔距D＝20mm，空腔深度T＝10cm，求共振頻率f0？2023/5/5第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四薄板、薄膜吸聲結構 如果聲波頻率與該結構固有頻率相同，則該系統(tǒng)發(fā)生共振，從而達到吸聲目的。M為薄板單位面積的質量(kg/m2)；L為薄板離剛性面的距離，即空腔深度(cm)。2023/5/5第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四空間吸聲體是一種預先預制好懸掛在廳堂空間的一種吸聲構造。2023/5/5第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期四空間吸聲體的結構形狀可以根據(jù)使用場合、吸聲、裝飾要求預制出多種形體，常見的有矩形體、平板狀、圓柱形、棱錐形、球形、多面體形等，其尺度大小應與房間的大小與高度相適宜，表面積可從2m2～10m2