1、南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-9第第9 9章章 室内声学室内声学 声场声场 声源以及接收器所处的空间有两大类：一是自由空间。典型的自由空间是消声室。它是一种声波可以“自由”传播而不存在反射声的专门场所。无限宽广的室外空间可以粗略地看成是自由空间。另一是封闭空间。任何室内空间，如大型厅堂、体育馆、演播厅、录音棚、播音室、洗手间等等，都是封闭空间的典型例子。从声学性质上讲，声源在自由空间中形成的是自由声场，而在封闭空间内形成的则要考虑到声波的反射、声波的吸收、声波的共振等因素，往往要把它们作为混响声场来处理。南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.29.2室内声波的传播特性室内声波的传
2、播特性图图4-1室内声波的传播室内声波的传播任意一个接受点所接受的声波由三个部分组成：直达声直达声、近次反射声近次反射声和混响声混响声。南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-9 直达声是声源直接到达接受点的声音，其声压级衰减与距离的平方成反比，不受室内界面影响。近次反射声是指相对直达声延迟小于50ms的反射声混响声是指延时超过50ms以后到达接受点的多重反射声9.29.2室内声波的传播特性室内声波的传播特性南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.2.1室内声场的几何图解室内声场的几何图解图图4-3采用镜像原理作图法采用镜像原理作图法南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-9从镜像反射的概念出
3、发，在足够精确的限度内，可以采用点光源的凹面镜所服从的光学定律（图4-4）9.29.2室内声波的传播特性室内声波的传播特性南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-91)-(4 112bqr式中r为凹面镜的曲率半径，即凹面镜曲面的球心Z与凹面镜顶点S之间的距离；Q为光源，q为光源与凹面镜顶点S之间的距离；F为凹面镜的焦点；b为镜像与凹面镜顶点S之间的距离。9.29.2室内声波的传播特性室内声波的传播特性南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-9(1)(1)圆柱形反射面的扇形反射圆柱形反射面的扇形反射南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-9(2)(2)椭圆弧面的反射椭圆弧面的反射图图4-6椭圆弧面的反
4、射情况椭圆弧面的反射情况南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-9(3)(3)抛物面的反射抛物面的反射图图4-7抛物面的反射情况抛物面的反射情况南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-9(4)(4)双曲线形弧面的反射双曲线形弧面的反射图图4-8双曲线弧面的反射情况双曲线弧面的反射情况南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-9(5)(5)凸面的反射凸面的反射南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.2.29.2.2室内声场的统计分析室内声场的统计分析南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.2.39.2.3室内声场的波动理论室内声场的波动理论封闭空间中的声传播状况可以应用波动方程和边界条件求解。可
5、以得出具有刚性壁面(包括天花、地面)的室内声压随时间与空间变化的规律。长方体房间中长、宽、高的三个轴向上存在着简正振动简正波。要理解这一现象，可以先从如图4-11所示平行刚性壁面(一维)的声反射情况入手进行分析，以便使读者绕过高等数学，而从物理图象上对简正振动有一概念性的理解南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.39.3 混响与扩散混响与扩散混响：在室内声达到稳定的情况下，声源停止发声，由于声音的多次反射或散射，而使其延续的现象即为混响。这种现象是封闭空间中(室内)声场的一个重要特征严格意义上的扩散声场必须满足以下三个条件：（1）室内的声能密度均匀，即声能密度处处相等；(2)声能在室内各
6、个方向传递的几率相等；(3)从室内各个方向到达任一点的声波，其相位是无规的。在这样的声场中，声波无论在空间位置上，还是在传播方向上都不会一成不变地“聚集”在一起，而是随着传播过程的进行逐渐扩展，并分散开来，直至充满全部空间并遍及所有方向。南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.49.4 回声与颤动回声回声与颤动回声 回声是指听者在听到直达声之后，又听到一个分立可辨的反射声，或者他在听到某一反射声之后，又听到一个分立可辨的这一反射声的反射声 产生回声现象的反射声主要来自后墙，而且，离开声源近的位置比离开声源远的位置比较容易听见回声。图4-13和表4-3给出了回声出现的例子，假定厅堂长27m，
7、A、B、C、D距声源距离分别为9m、12m、16m、20m，距后墙24m，此时反射声与直达声的声程差、时间差分别列于表4-3中，A、B、C、D四点对回声的感觉也在表4-3中予以说明。如果厅堂混响时间较短，或者容积较大，吸声界面处理稍有不当，就容易产生回声。南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.49.4 回声与颤动回声回声与颤动回声 颤动回声是室内平行壁面之间形成的一连串回声现象，如图4-14所示。一个单独的脉冲声（例如火花脉冲声、掌声等）会在相对平行壁面上来回反射，产生多次脉冲回声。拍一下掌，可以听到一连串“拍”、“拍”声。这种现象主要发生在容积较大的厅堂，对厅堂音质有破坏作用南华大学计
8、算机学院汪凤麟2023-5-99.59.5 声波的吸收声波的吸收当声波遇到界面时，一部分被反射回来，一部分进入界面。进入界面的声波，由于界内材料的吸收作用，部分声能转化为热能而被消耗，这就是声波的吸收。还有部分继续传播，称之为透射。如图4-15所示。南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.69.6 混响时间的计算混响时间的计算混响时间是描述厅堂内声音衰减快慢程度的一个时间量，它是表征房间音质状况的重要物理量。其定义为：当声源连续发声至声场达到稳态后，从声源停止发声开始，声压级衰减60dB（平均声能密度衰减到原始值的百万分之一）所需的时间。如图4-17所示。南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.69.6 混响时间的计算混响时间的计算1.赛宾(Sabine)公式8)-(4 161.060SVT2.伊林(C.F.Eyring)公式）（以上频段）用于10-4 1kHz(41ln161.060mVSVT）（以下频段）用于9-4 1kHz(1ln161.060SVT南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-99.79.7 耦合效应耦合效应耦合现象的形成是两个具有不同混响时间而又相互耦合的房间，在混响过程中，声能衰减速率不一致，通过开口相互影响，产生耦合效应。产生耦合现象房间的声能密度（或声压）的衰减不再遵循指数规律衰减，其混响时间的衰变曲线也不是一条直线，而是一条折线，如图4-19所示
