室內聲場的分析方法

齊 娜 ，孟子厚

（中國傳媒大學傳播聲學研究所，北京 100024）

1 室內聲場

當兩個人邊走邊談，從室外走進建筑物內時，人們就會感覺到，此時的相互交談聲與室外不太相同，并且會感到交談的聲音會變得響一些。這是什么原因呢？室內聲場與沒有反射聲的自由場或室外聲場相比較，一方面由于室內表面產(chǎn)生很多反射聲，從而使聲能逐漸增加，最后達到穩(wěn)定聲能，它比室外無反射聲的聲能提高很多，這就使室內講話要比室外響亮。另一方面，在室內聲源停止發(fā)聲后，室內的聲音不會馬上消失，而是逐漸減小的?？偟膩碚f，房間對聲音的影響主要表現(xiàn)在以下四個方面:

（1） 引起反射聲；

（2） 改變音質；

（3） 由于簡正波的激發(fā)，增加聲能密度；

（4） 使聲音在空間的分布發(fā)生變化。

在不同條件、不同要求下，對室內聲場進行分析可采用不同的分析方法——幾何聲學、統(tǒng)計聲學、波動聲學的方法。幾何聲學的分析方法類似于幾何光學，利用聲線圖可以分析房間的特殊體形和反射面對音質的影響。統(tǒng)計聲學的分析方法主要是在實踐中，通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出一些公式，并用這些公式來進行廳堂的音質設計；而波動聲學的分析方法，通過聲波特性的研究，能揭示室內聲場的本質，雖然還不能提出指導音質設計的簡單原則，但它不僅可以闡述幾何聲學方法和統(tǒng)計聲學方法適用的范圍，還可以解釋一些不滿足擴散聲場條件出現(xiàn)的聲學過程。

2 室內幾何聲學分析方法

當聲波的頻率較高，即聲波的波長小于房間中反射面的尺度時，可以用幾何光學中光線的概念把聲波的傳播看作沿聲線傳播的聲能，而忽略聲波的波動性能，這是幾何聲學的方法。幾何聲學的方法在研究房間內各個反射面的作用時是非常有效的，還可以檢查房間內是否有聲聚焦現(xiàn)象。幾何聲學方法使用的條件是反射面或障礙物的尺寸要遠大于聲波的波長。這時聲波才能按照反射角等于入射角的幾何光學反射定律反射。

圖1 所示為一個矩形房間的橫剖面，當聲源在S 處發(fā)聲時，房間內聽聲者R 首先聽到的是由聲源直接傳來的聲音，即直達聲SR，然后依次聽到由聲源經(jīng)一面墻反射到達的一次反射聲SAR、SBR，經(jīng)過兩面墻反射后到達的二次反射聲SCDR，經(jīng)三面墻反射后到達聽聲人的三次反射聲……直至多次反射聲。由于房間各表面對聲音反射時還要吸收一部分聲能，因此，反射聲隨反射次數(shù)的增多，強度將逐漸減弱。此外，反射聲到達人耳處的路程要長于直達聲，因而反射聲到達聽聲人處的時間要滯后于直達聲，反射次數(shù)越多的聲音，滯后的時間也就越長。圖2給出的是廣東會館實測得到的房間脈沖響應波形圖，從圖中可以看出經(jīng)過墻面多次反射接收到的信號的強度減弱。

按照反射面的不同分類，常見的反射的類型主要有：平面反射、凹面反射和凸面反射。平面反射如圖 3（a） 所示，聲源S 發(fā)出若干條聲線入射到反射界面上，對這些不同入射點反射聲線，可在界面后面向后延長這些聲線，它們將聚集在一點，即聲像點。聲像點S'位于聲源S至界面垂線上，并且距界面的距離與聲源至界面的距離相等。對于房間內的觀察者來說，聲源在界面上所有反射都好像是來源于這個聲像點S'。 S'也稱作虛聲源。凹面反射以及凸面反射示意圖如圖 3（b） 和圖3 （c） 所示。可以看出凸面對入射聲波有明顯的散射作用，在音質設計中，正確地使用凸曲面，將有助于聲場的擴散均勻。

而凹反射的特點是使聲音會聚于某一區(qū)域或出現(xiàn)聲聚焦點，從而造成聲場分布的不均勻，在音質設計中應注意防止。

需要注意的是，對于低頻聲（63 Hz～ 125 Hz） ，波長為5.4 m～2.7 m。在一個各個表面尺寸均小于聲波波長的小房間內，幾何反射定律將不適用。此外，當聲波在大房間內遇到小尺度的障礙物，或尺寸較小的反射板時，將產(chǎn)生彎曲，即形成明顯的聲衍射，但不會造成明顯的擴散反射。對于中頻聲（500 Hz ～1 000 Hz） ，波長范圍68 cm～34 cm，當遇到大的天花板和墻壁時，仍然遵循幾何定律。但遇到與聲波波長相近的構件和裝修處理時，則要形成擴散反射。對于高頻聲（2 000 Hz～ 8 000 Hz） ，波長范圍17 cm～4 cm ，這時大部分室內構件將會形成明顯的聲影。此外， 一般的天花板與墻面仍會遵循幾何反射定律。

圖1 室內聲音的傳播

圖2 廣東會館實測脈沖響應波形圖面

圖3 反射類型