声学基础|混响与扩散的基本理论

室内声场的统计研究是以分析室内混响过程为其主要内容的。将统计声学用于分析室内声场时,要满足的第一个条件则是这一声场必须是扩散声场。可见,扩散与混响有着十分密切的关系。

可以对混响作以下描述:在室内声场达到稳定的情况下,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。

脉冲反向积分法测量混响时间
——德国人施罗德的贡献

试考虑一种极端的情况。设想一束声波(可用一条声线代表)在一个形状不规则的刚性壁面的大房间中传播。显然,这一声束在到达边界面(壁面、天花板或地面)之前,它是以直线方式传播的。一旦到达某一边界面,它就按照反射定律反射。经反射后的这一声束将改变原来的传播方向继续传播,经过某一传播距离之后,它又到达另一边界面,并再次反射,以新的传播方向又继续向前传播,依此类推。

混响与扩散的基本理论

混响与扩散的基本理论

对于形状不规则的大房间而言,任何方向的入射波经过若干次反射之后,总可以改变为沿某一特定方向传播的反射声。由于声波在室内各反射面上连续反射,并不断改变其传播方向,这种能使室内任一位置上的声波可以沿所有方向传播的声场称为扩散声场。这里所说的“扩散”,具有明确的物理意义。

严格意义上的扩散声场必须满足以下三个条件:

  • 室内的声能密度均匀,即声能密度处处相等;

  • 声能在室内各个方向传递的几率相等;

  • 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。

混响与扩散的基本理论

在一般情况下,扩散声场的条件是难以满足的,但在一定条件下,把不规则的大房间中的声场近似地作为扩散声场处理,所得的结果与实际情况相差不大。然而,如果房间的形状简单而规则,情况则不然。这时在室内就可能出现声场的严重“不扩散”状况,声波就可能在某些位置或某些方向上特别加强,而在另一些位置或方向上特别削弱。

例如在圆形大厅中,声波将聚集在大厅中部;在正方形房间中,沿某些方向的驻波将较强等等。为了尽可能在室内形成扩散声场,应避免采用凹形壁面,而凸面反射体的正确使用,则是使室内声场趋向扩散的一种有效方法,这种能够促进声场扩散的反射体通常称为声扩散体。

赛宾与混响时间
——赛宾,建筑声学创始人

以上分析讨论中,实质上包含着几何声学的基本概念。因此,虽然可以对室内声场与体型之间的关系作定性的说明,但却难以对某些假定作出明确的解析。例如,为什么要假定是形状不规则的大房间?对于小房间,即使形状不规则的小房间是否适用呢?对于这类问题,只能用封闭空间声场的波动理论才可能获得满意的说明。哪怕因计算异常繁杂而难以得到定量的结果,但在理论上至少可以给予指导性的解析。

混响与扩散的基本理论

混响声场通常指的是由反射声形成的声场。严格地说,它必须是扩散声场,亦即满足扩散声场的要求是混响声场的必要条件。在实际应用中,由于扩散声场的要求大多数是难以满足的,所指的混响声场基本上是通常意义上的反射声形成的声场。明确这一点是重要的,因为这是统计理论所得的结果与实际情况有一定距离的一个重要原因。

混响声场的推荐值(500Hz)

混响与扩散的基本理论

混响对房间的音质有重要影响,它是决定房间音质的必要条件。因此,有必要对其进行定量量度。这—工作首先由W·C·赛宾 (Sabine) 于二十世纪初提出并加以实践。为了使混响的量度仅仅取决于房间本身的声学特性,而排除其它因素(如室内原声场声级的大小及背景噪声水平等)的影响,使其具有良好的重复性,目前国际上公认的是以室内声场的声能密度衰减到原始值的百万分之一时所经过的时间进行量度,称为混响时间。

因此,混响时间可定义为室内声音已达到稳态后停止声源发声,平均声能密度自原始值衰减60分贝所需的时间,并用T60 或RT表示。在实际测量时,由于种种条件的限制,往往不可能获得衰减60分贝的相应时间,通常以开始一段的声压级衰变情况为基本依据,然后外推导衰变60分贝时所需要的时间。通常以T20、T30 来做推导。



混响与扩散的基本理论

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文章来源:声振之家

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