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Cool Edit Pro操作详解·65

9.3 室内声学

室内声学指声音在室内或某个特定环境中所表现的特性,也就是声音的声场特性。本小节,我们主要介绍室内声学的几个重要知识点:研究声场的基本方法、隔声与吸声、反射与混响、干涉与驻波、房间共振。

•研究声场的基本方法:目前,在室内声学研究中,对声音的研究主要有三种方法:

一、波动声学:用波动观点研究室内的声学问题。在理想气压条件下,推导并建立声波的物理模型,然后进行各类模拟与计算。此方法适合于面积较小的场所,但计算与处理比较繁杂。

二、几何声学:用声线观点研究室内声学问题。它假设声音以无限多的射线方式进行传播和反射,用类似于几何光学的方法,利用声线图分析房间特殊形体和反射面对声音的影响与反作用。此方法适合于面积较大的场所,虽然比较方便直观,但其适用范围有一定限制,对中、高频比较适合,而对于波长较长的低频则不够精确,甚至误差较大。

三、统计声学:以能量观点用统计学的方法研究室内声学问题。它并不着重于研究或计算某个声波的反射,而是主要研究声波从各个方向上以不同振幅和相位传播时的规律,取其平均值,用统计学的方法概括的推导出室内声场的一些规律,用来指导房间的声学设计,如混响半径的确定等等。

研究室内声学,大量使用统计声学的方法,辅助使用几何声学,对于二者无法解释和精确计算的情况,比如不满足扩散与反射条件,或者扩散与反射比较复杂而没有规律的情况,则使用波动声学的物理建模进行处理。随着计算机技术的飞速发展,三维模拟、物理建模、辅助设计与测试方法越来越多地应用于声学设计与声学处理等专业领域,目前已经有多家软件公司相继开发了专用于声学设计和声学处理的程序,比如本书主讲的Cool Edit Pro,就是一款典型的音频处理类应用程序。

•隔声与吸声:终止或破坏声波继续传播,将声音进行隔离,称为隔声。通常,隔声用于两个环境的声音互相隔离,也就是环境内部的声音不传播到外部去,同时外部的声音也进不来。而避免或尽量消除声音在环境内部发生反射、衍射与散射等现象,则称为吸声。隔声与吸声是室内声学、声学设计等领域的重要研究课题。

声波在媒质中传播,媒质本身由于摩擦、能量转换和热传导,会损耗一部分声能,这种现象称为媒质的吸声特性。声音被完全吸收,就不会发生反射、衍射等现象。也可以理解为,声波的原始能量,减去被吸收的能量,剩余的部分,才会出现反射。可以将吸收声音、防止声音发生反射的媒质称为吸声材料,而防止声音发生透射(直达)、衍射的媒质,则称为隔声材料。

就吸声而言,坚硬、光滑、结构紧密的材料,吸声性能较差,粗糙、疏松、多孔的材料吸声性能较好。通常用吸声系数来表示材料的吸声性能,吸声系数越大,材料的吸声性能越好,吸声系数为1时,材料能全部吸收所接收到的声音。

吸声系数的大小除了与材料本身的性质有直接关系,还与声音的频率、入射方向、材料厚度、背后的空气隔离层等因素有关。通常,取125Hz、250Hz、500Hz、1KHz、2KHz、4KHz这6个频率的吸声系数来表示材料的吸声性能,若未加说明,则指500Hz或1KHz时的吸声系数。吸声系数大于0.2的建筑材料,工程上一般称为吸声材料。

在声学设计与录音室设计装修中,除了房间类型、形状、墙壁、天棚、地板等因素之外,家具、座椅、人本身的吸声因素也不能忽略,特别是礼堂、影院等可容纳性较强的室内场所。

•室内声压级:声源在室内持续发声时,声波由声源到室内各个位置形成了复杂的声场。当声场达到稳态时,若室内各部位的声压相同,且声波无规则的在各个方向上传播,则可以说此时的声场是均匀的,即达到了声扩散。

某些声学环境,比如音乐厅、大中型录音棚、演播室、电影院等,从音质特性方面来说,需要合理而均匀的声场分布,这对加强声音本身的音色与音质,避免出现音质缺陷是十分重要的。为使室内达到扩散声场,通常采用四种方法:

一是环境内部的表面处理成不规则形体;

二是在房间的某些部位设置扩散体;

三是在墙面与天花板交替做声反射与吸声处理;

四是无规则的配置吸声体或吸声结构。

•反射与混响:我们平时在室内听到的声音,其实包含两大部分,一是声源发声后人耳直接听到的原始声,也称为直达声;二是声音遇到墙壁、天花板、地板、家具、物品之后反射出来的声音,称为反射声。由于反射声的传播路程比直达声长,因此这部分声音在直达声之后陆续被人听到,加上声音的能量随传播距离的增加而衰减,因此,陆续听到的反射声是逐渐衰减的,直至最后消失。

与直达声间隔时间小于50毫秒的反射声称为前期反射声,也叫早反射,大于50毫秒的称为后期反射声,也叫混响。早反射通常只经过一两次反射,其能量较大,互相之间的间隔时间也较大;后期反射则能量越来越小,彼此之间的间隔也越来越小,好像混在了一起。

根据人的听觉特点,对于同一种声音,当两个声音的时间间隔小于50毫秒时,人无法将两个声音区别开来,而两个声音的时间间隔大于50毫秒,则比较容易区分。因此,对于直达声和早反射,人耳无法分辨出来,会把早反射当做直达声的一部分,起到叠加的作用,声音听起来比实际响度要大。而混响声由于间隔时间超过了50毫秒,所以人能够把它与直达声区别开来,这部分混响声对声音的响度也就不起任何作用了。

混响过大、低频过多或者混响时间过长,对声音的清晰度有显著破坏,真实的混响时间指声源停止发声到混响声彻底停止的时间。但是,这与人的听觉灵敏度、环境噪音等因素有密切关系,为了便于测量和计算,我们把混响时间定义为当声源停止发声到室内的声能密度下降60dB所需的时间。

衡量一个房间的声学性能,有两个重要指标:一是声能衰减与分布的均匀性和密度,二就是混响时间。室内混响时间的大小与房间容积成正比,与房间内部的吸声能力成反比。针对不同用途的房间,其声学设计理念大不相同,并不是说混响时间越短越好。而且,一个密闭的环境,只要有足够响度的声音,那么无论如何也无法做到绝对的零反射和零混响。因此,声学设计的原则之一就是根据实际需要和应用场合营造出相对来说最合理、最合适的声能分布与混响时间(最佳混响)。

由于建筑材料和吸声材料对声音中不同频段的吸收能力有差别(频段:两个频率之间的所有集合,是单个频点的左右扩展或单向延伸),导致混响时间随声音频率的变化而变化。设计最佳混响时,应考虑到这个因素。通常有两个做法:一是让声音中各种频率的混响时间都保持基本一致;二是对声音中的低频做适当妥协,让其混响时间略长一些。这两种设计思想,适合不同的声学环境要求。

•共振、干涉与驻波:物体因外部振动的干扰或作用,按照其本身所固有的频率发生振动,称为共振。物体的固有频率称为简正频率或共振频率,外部振动的来源频率称为激发频率。激发频率越接近固有频率,共振响应就越大。

室内声学中,激发频率来自于声波,产生共振的物体,既可能是房间中摆设的家具、物品,又可能是声波本身。共振现象发生后,将对声音进行一定程度的染色与修改,比如:某些频率会被加强,从而改变声音的频率成分,影响到人对音色和音质的判断。

共振产生时,往往伴随着出现驻波效应,而且这种驻波会一直存在。特别是面积较小的房间,由于房间形状比较规则,声音反射比较密集和集中,传输距离短,能量衰减慢,所以经常出现共振和驻波现象,听觉上会感到存在一种持续的、让人不舒服的、类似“嗡嗡”的中、低频声。

再来看看声音的干涉。两个频率相同、振幅相等、相位差为零或恒定的声波在同一媒质中传播,那么空间中某些位置的振幅最大,某些位置的振幅则最小,这种现象称为声波的干涉。也就是说,声波如果产生干涉,那么在空间中的一些位置进行试听,会感觉音量加大了,而在另外一些位置进行试听,则感觉音量减小,甚至听不到。

当频率相同、振幅相等而方向完全相反的两列声波叠加时,则产生驻波。驻波是一种特殊的干涉现象,它属于简谐振动的一种类型。驻波形成时,声波只在某个位置上持续振动,而不进行传播和位移。正因为具有该特性,这种特殊的干涉才被称为驻波。

现实中,声音在房间中传播,由于墙面、天花板、地板和家具、物品的反射、吸收,经常发生共振、声波干涉和驻波等现象,对专业录音室和要求较高的声学环境而言,这是很致命的问题,会对原始声音产生不良影响和破坏,需要千方百计地消除和避免。因此,改变房间的内部形状、加强吸音和漫反射处理、关键位置添加声处理结构、合理布局房间物品等等,都是经常采取的措施。