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音响工程师必备知识之声学基础

 
  房间共振

  一些内装修材料比较坚硬的房间内,当声源发声时,常会激发这个房间内的某些固有频率(或称简正频率)的声音,即出现民房间共振现象。当发生共振现象时,声源中某些频率特别地加强加了。例如,噪声能使灯罩或窗玻璃产生振动而发声,而且声音的音调一一定的。说明物体被一外界干扰振动激发时,将按照客观存在本身所具有的共振频率之一而振动。激发频率越接近物体的某一共振频率,共振响应就越大。就一个管乐来说,是管中的空气柱在共振,其共振频率主要由空气柱的长度来决定。在一个房间中,空气振动的共振频率由主要由房间的大小来决定。此外,这种房间共振还表现为使某些频率(主要是低频)的声音在空间分布上很不均匀,即出现了在某些固定位置上的加强(峰)和某些固定位置上的减弱(谷)。

  声源的指向性

  人的头和扬声器与低频声的波长相比是小的,这种情况下可视为无指向性点声源,但对高频声,就具有明显的指向性。频率高,声波波长短,声源下面的声压比背面和侧面大得多,直达声声能就集中于辐射轴线附近,指向性强;而低频声,声源前后的声压变化不大。实际上,演员在舞台上的对白或演唱,随频率的高低都带有指向性。人在话讲时,并不是均匀地向四周辐声音的,而是下面最响,背后最轻,也即沿着嘴唇前面有一定的指向性,与发声者相同距离的前、后位置,对于较高频率的语言声,其响度的差别可达1倍以上。因此,站在讲话者后面或侧面的人,由于直达声中缺少很重要的高频成分,很难清听懂。如果适当地在讲话者的周围加设反射面,可以提高讲话者后面的清晰度,但高频声比低频声更容易被墙面材料和空气所吸收,所以在讲话者后面时听起来总是比较差些。所以,厅堂形状的设计、场声器位置的布置,都要考虑声源的指向性。

  混响时间

  什么是混响时间?当室内声场达到稳态,声源停止发声后,声压级降低60dB所经历的时间称为混响时间,记作T60或RT,单位是秒(s)。混响时间是目前音质设计中能定量估算的重要评价指标。它直接影响厅堂音质的效果。长期以来,人们对混响过程进行曲了研究,得出了适用于实际工程的混响时间计算公式:赛宾公式和伊林公式。但是,这两个公式有以下的假设条件:首先,室内的声音是充分散的,即室内任一点的声音强度一样,而且在任何方向上的强度也一样;其次,室内声音按同样的比例被室内各表面吸收,即吸收是均匀。

  当房间容积越大,界面吸声量直小时,则每次反射经过的路程就越长,声音衰变就越慢,因此混响时间将越大。

  在计算混响时间时,通常要计算125、250、500、1000、2000和4000Hz六个频率的值。对于录音室和播音室有时还应追加 63Hz和8000Hz的混响时间。

  厅堂、会议中、歌剧院建筑设计

  各类厅堂,包括剧院、音乐厅、歌剧院、会堂、演播室、电影院和体育馆等观演场所的设计,都要满足观众(以及演员、乐师)的视觉和听觉的要求。厅堂的厅字、繁体字写满足听觉感官的享受是十分重要的,甚至往往成为决定此类观演建筑设计成败之关键。为此,必须认真做好厅堂音质设计。

  音质设计的任务就是利用室内声学和噪声控制学的研究成果提供的科学方法和技术措施来达到预期的音质效果(通常通过客观音质指标来体现),并经受相应的声学测量来难是否达标。音质设计的最终目的是满足人们良好的听音感受的主观要求。音质设计的内容包括厅堂选址、总平面布置、体型容积的克确定、音质指标的考量、反射面的布置、混响设计以及噪声控制等。音质设计必须从考虑建筑方案的初步设计阶段就开始介入,决不能等到建筑设计已大体完成再作内部声学装修。音质设计是厅堂建筑设计的一个重要的有机组成部分。建筑师和声学顾问必须与其他建筑设计有关专业人员协同工作,方可保证音质设计的成功。

  音质设计的程序和步骤包括:

  (1)厅堂用地的选择。调查比较各种可供选择的场地的环境噪声和振动的状况,作出声环境影响评价,尽量选择安静的场所。

  (2)总平面布置。根据场地声环境影响的评价结果,考虑相应的防噪减振的总体平面布置方案,包括观众厅与空调设备机房和其他容易产生噪声与振动干扰的房间的关系。

  (3)观众厅容积和体型设计。选择适当的观众厅平面与剖面形式,选择使厅堂容易达到最佳混响时间、响度和有利于充分利用有效声能、避免音质缺陷的方案。

  (4)音质指标的选择与计算。确定各项音质指标,选定其优选值,进行包括混响时间在内的各项指标的计算,必要时,可进行计算机仿真或声学缩尺模型试验,作为音质设计的辅助手段。

  (5)噪声振动控制。确定围护结构的隔声方案。进行包括空调与制冷设备等噪声源在内的消声与减振设计。

  (6)观众厅内部的声学设计。修正观众厅体型,从声学角度参与考虑舞台、乐池、包厢、楼座及座椅布置等细节,布置声反射面,选择布置吸声材料和结构,进行厅堂内部的声学装修设计。

  (7)施行的音质测试与调整。必要时,在施工过程中尚应进行音 质测试工作,检验各项音质指标计算的精度,根据测量结果,进行必要的修正设计。

  (8)音质评价与验收。竣工后进行音质评价,包括主观评价、听众调查和客观音质测量。重要的观演建筑的音质设计应包括上述步骤和内容,对于较次要的厅堂,有时限于条件,也可省略其中若干步骤和内容,例如,计算机仿真,模型试验和施工过程中的声学测量等,但其余的步骤和内容都是不可缺少的。

  建筑师应根据预定的音质设计的目标,按设计程序组织协调各工种专业人员(包括声学顾问工程师)进行各阶段设计工作,将声学要求与其他建筑要求有机地结合起来,使音质设计融合于建筑总体设计之中。
2013年08月02日