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室内声学

什么是声学上的大房间和小房间?

从几何意义上很难去界定房间的大与小,比如200m³的房间相对于2000m³的房间是小房间,而2000m³相对于20000m³的房间又是小房间。因此,从几何角度考虑声学意义上的大、小房间意义不大。

声学意义上的大房间与小房间是按照房间内声场的具体情况来划分的,从本质上讲,不同的声场特性采用不同的声学处理方式。因此,声学上大、小房间使用频率进行界定实质上是界定了不同的声学处理方式。如果一个房间内的声场满足扩散声场或混响声场的性质,类似这种性质的房间就称之为声学意义上的大房间。其处理方式可依据赛宾公式、伊林公式(或伊林-努特生公式)进行计算房间内混响时间(RT60)。声学意义上大房间的尺寸,尤其是长度尺寸要远远大于截止频率的波长尺寸。

在一个房间内随着声波频率的降低,如果声场不满足扩散声场或混响声场的生成条件,从声学的观点上应该把此类称之为声学意义上的小房间。其长度尺寸与最低工作频率的波长相差不多,因此,声学意义上的小房间便不能用统计声学原理来进行处理,此时应采用波动声学理论来处理方间问题。

如果一个房间内的声场满足混响声场(经房间壁面一次或多次反射后到达受声点的反射声波形成的声场)或扩散声场(房间内声能密度处处相等,而且在任一受声点上,声波从各个方向传来的概率相等,相位无规,最接近扩散声场的房间是混响实验室)的生成条件,就把该房间称之为声学意义上的大房间。

一、声学意义上的大房间:

可以采用赛宾公式或艾润公式(伊林公式)计算封闭房间的混响时间。声学意义上的大房间的尺寸,特别是长度尺寸已远大于最低工作频率的波长。

二、声学意义上的小房间:

在一个房间内,随着声音信号频率的进一步降低,如果声场不满足扩散声场或混响声场的生成条件,从声学观点上应把它看作是声学意义上的小间。其长度尺寸已与最低工作频率的波长相比拟。

小房间不能采用统计声学来处理,而应以波动声学的方法来处理房间的声学问题。

因此,区分声学上的小房间和大房间的关键是关注的频率。而不是容积的绝对值。

XR技术网图片 融媒体中心 原创   (2).jpg

三、注意:声学小房间不存混响时间概念

声学小房间缺乏混合得很好的声场,因此没有统计意义的扩散声场为前提的混响时间,只存在一系列早期反射声能,或者说,在低频范围内只存在数量有限的彼此分离的几个简正模式,形成不了扩散声场。此时,可以用简正模式衰减率来定义声能衰减的快慢程度。

简正模式衰减率是以dB/s表示的某个简正模式的频率上声压级的衰减率,简正模式衰减率不是混响时间。

四、如何应对小容积房间的简并频率?

小容积房间的简并频率大都在100Hz以下,在容积有限的前提下扩散体不可能做的这么大,所以放入一个所谓的低频扩散体,白白占用了小房间的宝贵空间,是得不偿失的,而把顶棚、墙面做成曲折非线形,对于解决低频声扩散也是徒劳无功的(对于解决回声还是有益的)。

解决小容积房间简并频率问题的重点仍在于吸声

小容积房间和音乐厅、剧场等强调自然音色的空间不同,以扬声器为主要声源的房间(例如录音棚、家庭影音室)没有最佳混响时间的概念,这些场合应采用强吸声的处理方式。

五、施罗德频率fc

在《声系统工程》一书中,作者给出了界定大、小房间容积的计算公式:

001.jpg

其中,

K=2000,为一常数;

RT60 为房间中频混响时间,单位为s

fL 为房间的截止频率,单位赫兹,Hz

式(1)中fL也就是声学意义上大小房间的分界频率,应该把它视为一个频率的过渡区域,而不是一个严格的频率,是供考虑声学问题处理时参考用的。换言之,当房间内声波频率高于分界频率 fL 时,将有大量的房间简正模式被声源的频率所激发,声场属于扩散声场,按统计学原理处理;而低于分界频率 fL 时则属于声学意义上的小房间,按简正模式或波动声学方式处理。

式(1)实际上是由德国声学家M.R.Schroeder(M.R.施罗德)于1962年提出。因此, 分界频率fL 也称为施罗德频率。由于分界频率fL和临界频率 fc (下面将介绍)在量值上很接近,故有时也将临界频率 fc 称为施罗德频率。

下表1中为混响时间、房间容积与临界频率对应关系

1

002.jpg 

注:上表中的混响时间 RT60 是指500Hz1000Hz中频混响时间。

将式(1)改写为:

003.jpg

从式(2)可以看出,当房间的容积确定后,临界频率 fc与房间混响时间RT60有关。且随着混响时间的增大而增大。因此,式(2)应视为声学大、小房间理论上的分界频率。

六、声学大、小房间的实际分界频率

004.jpg

1 可听声的几个频率区段

根据研究文献,有研究者提在可听声的频率范围内(一般指20Hz~20KHz),可分为四个频率区段,如图1所示。临界频率两侧的Ⅱ区(简正模式区域)和Ⅲ(声扩散区域),前者需要采用波动声学方法进行处理,后者需要采用统计声学原理进行处理。由此可见, fc 的确定关系到以哪个频率为分界线进而采用不同的声学处理方法。

值得注意的是,临界频率公式中的设计混响时间并非任意取值,根据相关标准中规定,在测量频率范围为200Hz~4 KHz内,混响时间的平均值 Tm 的计算公式如下:

005.jpg 3

式中,V为房间容积,单位m³;

V0 为参考容积,单位m³。

因此,当房间的容积确定后,相应的混响时间也就确定了,同样的便存在一个临界值。

但值得注意的是,对于不同容积的房间,以统计意义为前提的声学混响时间(扩散声场)存在一个下限频率,对此下限频率的计算有着不同的建议。

舒尔茨提出了在1/3倍频程内至少有20个简正模式的要求。1/3倍频程内简正模式数低于20就进入了简正模式区。以此作为判断声学大、小房间的实际分界频率的标准。 

 

参考文献:高玉龙 《声学意义上的大、小房间分界频率的界定》

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