室内声学设计的重要性
室内声学设计是建筑声学中非常重要的组成部分，主要针对家庭影院、视听室、录音室、演播室等需要具有较高声学设计的空间。由于室内空间的特殊原因，声音在其中的传播规律与剧院等大型专业建筑空间有着显著的区别，容易引起驻波、振颤回声、声染色等声学缺陷。下面，针对室内空间的声学原理与设计的重要性向大家进行简要描述。01 声音的传播 声音是人耳通过听觉神经对空气振动的主观感受。声音产生于物体的振动，例如扬声器的纸盆、拨动的琴弦等等，这些振动的物体称之为声源。声源发声后，必须经过一定的介质才能向外传播。这种介质可以是气体，也可以是液体和固体。在受到声源振动的干扰后，介质的分子也随之发生振动，从而使能量向外传播。但必须指出，介质的分子只是在其未被扰动前的平衡位置附近作来回振动，并没有随声波一起向外移动。介质分子的振动传到人耳时，将引起人耳耳膜的振动，最终通过听觉神经而产生声音的感觉。
02 自由声场与室外声场 传播声波的空间称为声场，声场又分为自由声场、扩散声场(混响声场)和半自由声场。所谓自由声场，即声源在均匀、各向同性的媒质中，边界的影响可以不计的声场称为自由声场。在自由声场中，声波按声源的辐射特性向各个方向不受阻碍和干扰地传播。
但是，理想的自由声场很难获得，人们只能获得满足一定测量误差要求的近似的自由声场。例如地面反射声和噪声可忽略的高空，当气象条件适宜时，便可以认为是自由声场。实际上风、云、空气密度变化等，都会影响声波的传播。又如在经过专门设计的房间中，在一定的频率范围内，房间的边界能有效地吸收所有入射的声波，这样的房间内的声音主要是直达声，也可认为是自由声场，这样的房间称消声室，多用于一些设备的测试工作。
在室外，某点声源发出的球面声波，其波阵面连续向外扩张，随着声波与声源距离的增加，声能迅速衰减。当点声源向没有反射面的自由空间辐射声能时，声波以球面波的形式辐射。这时，任何一点上的声强遵循与距离平方成反比的定律。如果用声压级表示，则距离增加一倍，声压级衰减6dB。
03 室内声场 在室内，声波在封闭空间中的传播及其特性比在露天场合要复杂得多。这时，声波将受到封闭空间各个界面，如顶棚、地面、墙壁等的反射、吸收与透射，室内声场因而存在着许多与自由声场不同的声学问题。因此，研究室内声场，对室内音质设计和噪声控制具有重要的意义。
室内声的组成
· 直达声：是室内任一点直接接收到声源发出的声音，是接收声音的主体，不受空间界面影响，其声强基本与听点到声源间距离的平方成反比衰减。
· 早期反射声：指延迟直达声50ms以内到达听声点的反射声，对声音起到增强作用。在大空间内，因反射距离远，易形成回声，产生空间感。
· 混响声：声波经室内界面的多次反射，迟于早期反射声到达听点的声音，直至声源停止发声，但由于多次反射，听点仍能听到，故又称余声，影响声音的清晰度。
室内接收点脉冲声响应图
室内声音的传播
04 室内声场的特点 室内空间的声场受到室内各个界面的影响，与自由声场相比，其主要特点有：
· 听者接收到的声音，不仅包括直达声，还有陆续到达的来自各反射面的发射声，它们有的经过一次发射，有的经过多次反射;
· 声波在各界面除了反射外，还有散射、投射和吸收等声学现象发生;
· 声能的空间分布发生了变化;
· 由于房间的共振可能引起某些频率的声音被加强或减弱;
· 与自由声场有不同的音质。
室内声音的变化过程
· 室内声音的增长：声源在室内辐射声能时，声波即同时在空间开始传播，当入射到某一界面，就有部分声能被吸收，其余部分则被反射。反射的声能继续传播，将再次乃至多次被吸收和反射。这样，在空间就形成了一定的声能密度，如果声能连续发生，随着声源不断地供给能量，室内声能密度随时间而增加，这就是室内声音的增长过程。
室内吸收不同对声音增长和衰减的影响
· 稳态声能密度：当一定时间内，室内表面吸收的声能与声源供给的能量相等，室内声能密度就不再增加，而处于稳定状态。需要指出，实际上，大多数情况下，大约经过1~2s，声能密度即接近最大值(稳态)。对于一个室内吸声量大、容积也大的房间，接近稳态前的某一时刻的声能密度，比一个吸声量、容积均小的房间要弱。所以，在房间声学设计时，需恰当地确定容积和室内吸声量。
室内声音的衰变
当声能密度达到稳态时，若声源突然停止发声，室内接收点上的声音并不会立即消失，而是有一个逐渐衰变的过程。首先是直达声消失，然后是一次反射声、二次反射声……逐次消失。因此，室内声能密度将逐渐减弱，直至趋近为零。这一衰变过程称为“混响过程”或“交混回响”。
从室内声音的增长、稳态和衰变过程可以看出，当室内表面反射很强时，声源发声后，可获得较高的声能密度，而进入稳态过程的时间稍晚一点。当声源停止发声后，反射声消失的时间拖得长些，即声音衰变较慢。若室内表面吸声量增加，则与上述情况相反，短时间内达到稳态，且声能密度小，其混响过程也短一些。对音质要求较高的场所，须控制交混回响时间，譬如音乐厅，其内部装修就须专门人员进行设计，根据房间的大小、尺寸、墙壁与天花板的情况，采用一定的吸音材料以减小声音的反射。
05 混响和混响时间计算公式 混响和混响时间是室内声学中最为重要和最基本的概念。所谓混响，是指声源停止发声后，在声场中还存在着来自各个界面的迟到的反射声形成的声音“残留”现象。这种残留现象的长短以混响时间来表征：但房间内声场达到稳态状态后，使其停止发声，声能逐渐减少到原来声能(稳态时具有的声能)的百万分之一，也就是声压级降低60dB所需的时间，一般用T60表示，单位为秒。
混响时间T60
混响时间是目前音质设计中能定量估算的重要评价指标，直接影响厅堂音质的效果。房间的混响长短是由它的吸音量和体积大小所决定的，体积大且吸音量小的房间，混响时间长;吸音量大且体积小的房间，混响时间就短。混响时间过短，声音发干，枯燥无味，不亲切自然;混响时间过长，会使声音含混不清;合适时声音圆润动听。混响时间的大小与频率相关，低频、中频、高频的混响时间是不一样的，一般所说的混响时间都是指平均混响时间。
假设混响声场是一个房间，那么混响声场中混响的程度，取决于声能被四周的墙壁反射、吸收的程度以及房间中的物品。举一个极端的例子，如果在理想的混响声场中打了个喷嚏，那么喷嚏声将被无限次反射，混响时间 (T60) 是永久持续的。但是这种理想的混响声场很难实现，因为声波会被四周的墙壁以及在声场中的物品所吸收、投射等等。一个高混响的房间，常常被形容成是活的 (Live)，而混响很少的房间则被形容成死的 (Dead)。
混响半径(临界距离)
室内声场中直达声声能密度等于混响声声能密度的点与声源的距离，被称为混响半径或临界距离。临界距离在全频带内是不同的，回声越强的房间临界距离越近;吸音越强的房间，临界距离越远。(临界距离在全频带内是不同的)
好的声学设计，临界距离要离声源尽可能远，结果在全频带内混响最小最平坦。直达声从扬声器系统开始递补减，是距离的函数(平方反比定律)。但混响恒定地散布房间(新的声音不断从扬声器发出，混响不断建立，直到新的声音与被吸收的声音相等，因此混响保持恒定)两曲线的交点就是临界距离。
最佳听音区一定位于临界距离内，因为临界距离是以直达声为主，清晰度和声像定位最好。
房间无吸声时的临界距离距声源很近，这种房间只适合近声场听音。
在吸声的房间中，临界距离被推向后墙，使最佳听音区变宽。上图中，附加的好处是漏到室外的声压降低了20dB，降低了对隔音的要求。
关于临界距离(混响半径)的一些特点：
· 当混响声比直达声大12db以上，声音清晰度将全部失去;
· 混响越强的房间临界距离越近，吸声越强的房间临界距离越远;
· 近声场或直达声场在临界距离内，远声场或反射声场(混响)在临界距离外。
混响与回声
混响是室内声反射和声扩散共同作用的结果。同样是源于反射，但由于人耳的听闻特性，混响和回声有明显的不同。
声源的直达声和近次反射声相继到达人耳，延迟时间小于30ms时，一般人耳不能区分出来，仅能觉察到音色和响度的变化，人们感觉到混响。但当两个相继到达的声音时差超过50ms时(相当于直达声与反射声之间的声程差大于17m)，人耳能分辩出来自不同方向的两个独立的声音，这时有可能出现回声。回声的感觉会妨碍音乐和语言的清晰度(可懂度)，要避免。
混响时间计算公式
长期以来，不少人对这一过程的定量化进行了研究，得出了适用于实际工程的混响时间计算公式。19世纪末，哈佛大学年青物理学家赛宾 (W.C.Sabine) 在解决学校Fogg艺术博物馆声学问题的过程中，进行了大量的吸声试验，提出了室内混响理论，奠定了现代建筑声学的理论基础。他首先从试验获得混响时间的计算公式，通常又称为赛宾公式。
式中，V 为房间的容积m3，A 为房间的吸声量m2。
式中，α 为平均吸声系数。
根据赛宾公式可以看出，房间容积越大混响时间越长;平均吸声系数越大，混响时间越短。体积巨大的空间，如果不进行吸声处理的话，混响时间很长，造成讲话清晰度下降。其提出控制混响时间主要有两种方法：改变房间的容积和改变房间表面吸声量。尽管在设计时改变房间的体积，但调整混响时间更实用的方法是改变吸声量。
在室内总吸声量较小(吸声系数小于0.2)、混响时间较长的情况下，有赛宾的混响时间计算公式求出的数值与时间测量值相当一致，而在室内总吸声量较大、混响时间较短的情况下，计算值则与实测值不符。
式中，V 为室内的容积m3，S 为室内总表面积m2，α 为室内表面平均吸声系数。
在室内表面的平均吸声系数较大时，只能用伊林公式计算室内的混响时间。利用伊林公式计算混响时间时，在吸声量的计算上也应考虑两部分：
· 室内表面的吸声量;
· 观众厅内观众和座椅的吸声量(有两种计算方法：一是观众或座椅的个数乘与单个吸声量;二是按照观众和座椅所占的面积乘与单位面积的相应吸声量)。
赛宾公式和伊林公式只考虑了室内表面的吸收作用，对于频率较高的声音(一般为2000Hz以上)，当房间较大时，在传播过程中，空气也将产生很大的吸收。这种吸收主要决定于空气的相对湿度，其次是温度的影响。这种考虑空气吸收的混响时间计算公式称为“伊林—努特生 (Eyring-Knudsen) 公式”。
06 房间共振和共振频率 前面所述室内声音的增长、稳态和衰减过程，都是从能量的增长、平衡以及衰减予以分析的，并没有涉及声音的波动性质和声音的频率。但在实际情况中，室内有声源发声时，室内的声能密度就会由于声源的频率不同而有强有弱，即房间对不同的频率有不同的“响应”，房间本身也会“共振”，存在共振频率。声源的频率与房间的共振频率越接近，越易引起房间的共振，这个频率的声能密度就越强。
共振会使某些频率的声音在空间分布上很不均匀，即某些固定位置被加强，某些固定位置被减弱。所以，房间共振现象会对室内音质造成不良的影响。
矩形房间的共振频率
在矩形房间的三对平行表面间也可产生共振，称为轴向共振。除了三个方向的轴向共振外，声波还可在二维空间内出现驻波，称为切向共振。此外，还会出现斜向共振。房间尺寸的选择，对共振频率有很大影响。
轴向共振
切向共振
斜向共振
共振频率的简并
某些振动方式的共振频率相同时，就会出现共振频率的重叠现象，称为共振频率的简并。在出现简并的共振频率上，那些与共振频率相同的声音将被大大加强，使人们感到声音失真，称之为声染色。
想要克服共振频率的简并现象，需要选择合适的房间尺寸、比例和形状，并进行室内表面处理。一般来说，房间的形状越不规则越好。如果将房间的长、宽、高的比值选择为无理数时，则可有效地避免共振频率的简并。再者，如果将房间的墙面或顶棚处理成不规则的形状，布置声扩散构件，或合理布置吸声材料，也可减少房间共振所引起的不良影响。
07 声波的干涉和驻波 声波的干涉
当具有相同频率、相同相位的两个波源所发出的波相遇叠加时，在波重叠的区域内某些点处，振动始终彼此加强;而在另一些位置，振动始终互相削弱或抵消，这种现象叫做干涉。当两列频率相同的波在同一直线上正对或同向传播时，叠加后因干涉而产生的波称为驻波。
驻波
驻波的特点是，在空间上出现稳定的交替变化位移幅度场，有些位置是极大值，有些位置是极小值，两者空间位置距离为1/4波长，在极大值和极小值之间出现过渡值。即在入射波与反射波相位相同的位置上，振幅因相加而增大;在相位相反的位置上，振幅因相减而减小。这就形成了位置固定的波腹与波节。对于声压而言，距墙面1/2波长处和距墙面1/2波长的整数倍处，声压最大，成为声波的波腹。
房间中出现驻波时，听感为一种嗡声。例如，在无陈设的空房间，击掌发声，余音中嗡嗡作响，这就是驻波引起的。驻波还能在二维或三维空间中形成，对于视听室、录音室、演播室来说会造成声场分布严重不均匀，是一种不良的室内声缺陷，需要通过音质设计预以防止。消除驻波的最佳方法是改变房间的形状，使墙面不平行，或将墙成做成弧形。
从以上可以看出，室内空间设计是影响声音表现最大的因素，也是最难以克服的问题。因此，我们在打造一间视听室之前，必须要根据实际情况选择不同的声学处理方法，有效避免产生声学缺陷。
来源：影音新生活微信公众号(ID：Cloud9AV)，作者：Ken。
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