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室内声学(room acoustics)是研究室内声音的传播和听闻效果的学科,是建筑声学的重要组成部分。其目的是为室内音质设计提供理论依据和方法。 声音在室内的传播与房间的形状、 尺寸、构造和吸声材料布置有关;听闻效果则反映人们的主观感受,对不同用途的房间有不同的评价标准。

室内声场

当声源向空间辐射声波时,该声波存在的区域称为 声场。如果声波传播时不受阻碍和干扰,这样的声场称为 自由声场
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在室内,声源辐射的声波传播到界面上时,部分声能被吸收,部分被反射。通常要经过多次反射后,声能密度才减弱到可以被忽略的程度。当声源连续稳定地辐射声波时,空间各点的声能是来自各方向声波叠加的结果。其中未经反射、直接由声源传播到某点的声波称为 直达声;一次和多次反射声波的叠加称为 混响声
室内声场由直达声和混响声合成,直达声的声能密度按反平方规律衰减,而混响声的声能密度可近似地认为各处相等。混响声能的大小,除与声源的辐射功率有关外,还与空间大小和各界面的平均吸声系数有关。

室内声音传播

在不同条件下,可分别用几何声学方法、统计声学方法和波动声学方法来研究室内声音的传播。

几何声学方法

几何声学方法是指在研究自由声场的扩散性时,忽略声的波动特性,采用声线来描述声音传播途径的方法。当室内声音传播到一个尺寸比声波长度大得多的界面时,可用几何声学方法研究声音的传播规律。
这种而用声线概念研究声传播途径是根据 反射定律:声线的反射角等于入射角,且反射声线和入射声线与法线在同一平面上。
应用
可以利用声线的几何作图法来分析直达声和近次反射声的分布情况,避免直达声和第一次反射声之间有较大的延迟时间差,避免反射声的聚焦出现在听众席附近。通过靠近声源的反射面的布置,补充短延迟的反射声,以避免声源前面的声强随距离增加而出现过大幅度的下降等。

统计声学方法

统计声学方法是指从能量的观点出发,忽略声的波动特性,用统计学手段来描述声场平均状态的方法。
这种用能量概念研究声场状态是根据 反平方规律:对一个波阵面为球形的点声源来说,声场强度与离声源中心距离的平方成反比。
一个连续发声的声源在室内开始发声时,稳定声场并不立刻建立
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,是随时间逐步增长而达到稳定状态。声源停止发声后,声场也不会立刻消失,而有一随时间逐渐衰减的过程(图1)。
用统计声学方法研究声能密度的平均增长过程和衰减过程可知,声源开始发声时,声能密度增长过程可用下式描述:
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式中D(t)为声能密度(焦/米3);W为声源功率(瓦);c为声速(米/秒);A为室内表面总吸声量(米2);V为房间体积(米3);t为声源发声后经历的时间(秒)。当时间t比大得多时,可简化为:
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此时声场达到稳定状态,声能密度达到极大值,它的大小仅与室内表面的总吸声量和声源功率有关。
声源停止发声后声能密度的衰减过程可以用下式描述:
此式表明,室内总吸声量越大,衰减就越快;房间体积越大,衰
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减越慢。声源停止发声后,声音还会在室内延续的现象称为混响,其衰减过程为混响过程。度量混响过程的量为混响时间T60(秒),定义为初始声压级下降60分贝所需的时间,其关系式为:
式中V为房间体积(米3);S为总表面积(米2);峞为平均吸声系数;m为空气的衰减系数。此外,混响理论的创始人W.C.赛宾也曾提出混
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响时间的计算公式:,被称为赛宾公式,仅适用于室内平均吸声系数小于0.2的场合。

波动声学方法

波动声学方法是指用波动理论研究室内 驻波共振影响的方法。当室内界面的几何尺寸与声波波长可比时,声的波动特性就不能忽略,成为突出的研究重点。
根据波动声学原理,当一对平行墙面间的距离l等于声波半波长 λ/2的整数倍n时在这尺度方向上会产生 驻波,即声波传播的压缩和稀疏“图案”在空间有着固定的位置,或者说室内空气振动出现 共振。当人沿着驻波方向从一端走向另一端时,会感到声强有忽高忽低的变化,高低相差最多可达20分贝左右。这些能产生驻波的频率称为 简正振动频率或称简正频率。其结果使声场极不均匀,而且会使声源中符合上述情况的若干频率成分得到过分增强,也比别的频率衰减得更慢些,因此就会造成严重失真。
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对于一个长、宽和高分别为 lx、ly和lz的平行六面体房间,其简正频率fr(赫)可由下式计算:
式中nx、ny和nz为正整数或零,分别代表某种振动方式,
这些简正频率又可分为三类:①轴向简正频率;②切向简正频率;③斜向简正频率。从0到fr的频率范围内可能出现的简正振动数N:
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式中V=lxlylz为室内容积;S=2(lxly+lylz+lzlx)为室内总面积;L=4(lx+ly+lz)为室内总边长。
应用
在容积小的房间内,低频范围的共振频率较少,频率的分布不均匀。如果lx、ly、lz的比例选择适当,不使共振频率简并,则分布可有所改善;一般采用1∶21/
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3∶41/3的调和级数的比例。图2所示为某些频率范围,峰顶括号内的数字即公式中的nx、ny、nz,因振动方式简并而堆积在一起,造成室内的频率响应范围起伏很大。对于大房间和高频范围,由于简正频率较多,共振峰
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相互交叠,其效果可按统计声学方法来处理。

音质设计

声音的强弱、音调的高低和音色的好坏是声音的基本特征。因此,在音质设计中应根据房间的具体使用要求,做到充分地利用直达声,合理地分布近次反射声,正确地控制混响声。
界面上吸声材料的频率响应曲线不可能是直线,在选择和布置吸声材料时要充分考虑这一情况,否则会造成频率失真。由于人耳只能分辨出时间间隔大于50毫秒的两个声音,因此在50毫秒内的近次反射声具有加强直达声的效果,这对于改善声场的扩散性,提高信噪比都有利。同时应尽量避免颤动回声和声聚焦的现象(见音质缺陷)。音色的丰满度亲切感直接与混响时间相关,混响时间过短,会感到干涩;而混响时间过长,又影响声音的清晰度。

声学的应用

时至今日,声学的应用范围越来越广,在军事、医学、建筑等方面有举足轻重的地位,尤其是建筑声学更是建筑设计师们一直在研究的重点科目。众所周知,大剧院是世界公认的工程技术难度最高的建筑,声学系统的建设更是核心难点,因此声音效果也成为了评判一家大剧院水准的重要衡量标准。可喜的是近年来国内许多涉足声学设计的企业、单位也逐渐走向成熟,在这些组织中深圳中孚泰文化集团可为国内行业排头兵。中孚泰是全球唯一一家专注于演艺建筑建设的企业,19年专注,中孚泰参与建设了全国60%的高端精品剧院建设,是唯一被有关部门授予“声学装饰科学研究院”的单位。在中孚泰倾心打造的众多大剧院中,以广州大剧院、甘肃大剧院为代表在声音效果上已经超越了悉尼歌剧院,跻身国际一流水准。

设计原理

名称:室内声学设计原理及其应用
出版地:上海
  出版者名称:同济大学出版社
  出版日期:1995
  分类号:TU112.4
主题
  学科名称主题:室内设计 声学设计 研究 声学设计 室内设计 研究
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