景亞明 樊偉 楊林場(chǎng) 張祥銳

中建七局安裝工程有限公司，中國(guó)·河南 鄭州 450000

因聲音的傳播規(guī)律，會(huì)議系統(tǒng)安裝在密閉空間內(nèi)，與開放式體育場(chǎng)館、影劇院等建筑空間內(nèi)明顯不同。在有限的聲壓級(jí)下，保證聲源的解析可懂度成為會(huì)議系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心重點(diǎn)。

聲場(chǎng)建模；混響半徑；駐波

1 引言

震動(dòng)的物體稱為聲源。聲源發(fā)出的震動(dòng)必須經(jīng)過介質(zhì)進(jìn)行傳播，介質(zhì)可以是氣體、液體和固體。在受到聲源振動(dòng)的干擾后，介質(zhì)的分子也隨之發(fā)生振動(dòng)，使能量向外傳播。但是介質(zhì)的分子只是在其未被擾動(dòng)前的平衡位置附近作來(lái)回振動(dòng)，并沒有隨聲波一起向外移動(dòng)。介質(zhì)分子的振動(dòng)傳到人耳時(shí)，將引起人耳耳膜的振動(dòng)，最終通過聽覺神經(jīng)而產(chǎn)生聲音的感覺。

圖1 聲音的傳播方式

傳播聲音的空間稱之為聲場(chǎng)，聲場(chǎng)包括自由聲場(chǎng)、混響聲場(chǎng)（擴(kuò)散聲場(chǎng)）和半自由聲場(chǎng)。自由聲場(chǎng)，即聲源在均勻、各向同性的媒質(zhì)中，邊界的反射影響可以忽略不計(jì)的聲場(chǎng)。在自由聲場(chǎng)中，聲波按聲源的輻射特性向各個(gè)方向不受阻礙和干擾地傳播。自由聲場(chǎng)的解析度、可懂度最高；混響聲場(chǎng)解析度、可懂度最低。有很多場(chǎng)館，尤其是游泳館聲壓級(jí)很大的情況下依舊聽不清楚廣播的內(nèi)容，就是因?yàn)橛斡攫^內(nèi)混響聲場(chǎng)分布極大，自由聲場(chǎng)極小的緣故。

但是，理想的自由聲場(chǎng)很難獲得，現(xiàn)實(shí)中只能獲得滿足一定測(cè)量誤差要求的近似的自由聲場(chǎng)。如在經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的房間中，在一定的頻率范圍內(nèi)，房間的邊界能有效地吸收所有入射的聲波，這樣的房間內(nèi)的聲音主要是直達(dá)聲，也可認(rèn)為是自由聲場(chǎng)，這樣的房間稱消聲室，多用于一些設(shè)備的測(cè)試工作，工程造價(jià)相當(dāng)感人。

圖2 普通房間內(nèi)聲場(chǎng)分布

在室內(nèi)，聲波在封閉空間中的傳播及其特性比在露天場(chǎng)合要復(fù)雜得多。這時(shí)，聲波將受到封閉空間各個(gè)界面，如頂棚、地面、墻壁等的反射、吸收與透射，室內(nèi)聲場(chǎng)因而存在著許多與自由聲場(chǎng)不同的聲學(xué)問題。因此，研究室內(nèi)聲場(chǎng)，對(duì)室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)和噪聲控制具有重要的意義。

隨著聲波與聲源距離的增加，聲能迅速衰減。當(dāng)點(diǎn)聲源向沒有反射面的自由空間輻射聲能時(shí)，聲波以球面波的形式輻射。這時(shí)，任何一點(diǎn)上的聲強(qiáng)遵循與距離平方成反比的定律。如果用聲壓級(jí)表示，則距離增加一倍，聲壓級(jí)衰減6dB。聲壓級(jí)越小，耳朵對(duì)聲波越不敏感，解析度越差。相反，聲壓級(jí)越高混響聲場(chǎng)范圍越大，聲音可懂度越低。

室內(nèi)聲場(chǎng)包含：直達(dá)聲，是室內(nèi)任一點(diǎn)直接接收到聲源發(fā)出的聲音，是接收聲音的主體，不受空間界面影響，其聲強(qiáng)基本與聽點(diǎn)到聲源間距離的平方成反比衰減。反射聲：指延遲直達(dá)聲50ms 以內(nèi)到達(dá)聽聲點(diǎn)的反射聲，對(duì)聲音起到增強(qiáng)作用。混響聲：聲波經(jīng)室內(nèi)界面的多次反射，遲于早期反射聲到達(dá)聽點(diǎn)的聲音，直至聲源停止發(fā)聲，但由于多次反射，聽點(diǎn)仍能聽到，故又稱余聲，影響聲音的清晰度。

美國(guó)物理學(xué)家賽賓（W·C·Sabine）進(jìn)行了大量的吸聲試驗(yàn)，提出了室內(nèi)混響理論，奠定了現(xiàn)代建筑聲學(xué)的理論基礎(chǔ)。他首先從試驗(yàn)獲得混響時(shí)間的計(jì)算公式，通常又稱為賽賓公式。

其中：V 為房間的容積m3，A 為房間的吸聲量m2。根據(jù)室內(nèi)桌椅、窗簾、吊頂、地面材質(zhì)的不同，吸聲系數(shù)也不用，得出如下公式（α 為平均吸聲系數(shù)）：

根據(jù)公式可以看出，房間容積越大混響時(shí)間越長(zhǎng)；平均吸聲系數(shù)越大，混響時(shí)間越短。體積巨大的空間，如果不進(jìn)行吸聲處理的話，混響時(shí)間很長(zhǎng)，造成講話清晰度下降。其提出控制混響時(shí)間主要有兩種方法：改變房間的容積和改變房間表面吸聲量。在設(shè)計(jì)時(shí)往往無(wú)法改變會(huì)議室的體積，調(diào)整混響時(shí)間唯一的方法是改變吸聲量。

但在室內(nèi)總吸聲量較?。ㄎ曄禂?shù)小于0.2）、混響時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，用賽賓的混響時(shí)間計(jì)算公式求出的數(shù)值與時(shí)間測(cè)量值相當(dāng)一致，而在室內(nèi)總吸聲量較大、混響時(shí)間較短的情況下，計(jì)算值則與實(shí)測(cè)值不符。

根據(jù)測(cè)算結(jié)果的反向推導(dǎo)，實(shí)際數(shù)據(jù)更加接近一下公式：

V 為室內(nèi)的容積m3，S 為室內(nèi)總表面積m2，α 為室內(nèi)表面平均吸聲系數(shù)。

根據(jù)上述公式得出混響容積曲線，在2800m3以下較為平直。根據(jù)不同場(chǎng)揚(yáng)聲內(nèi)容的區(qū)別得到三條曲線[1]。

圖3 混響-容積曲線

在實(shí)際情況中，室內(nèi)有聲源發(fā)聲時(shí)，室內(nèi)的聲能密度就會(huì)由于聲源的頻率不同而有強(qiáng)有弱，即房間對(duì)不同的頻率有不同的“響應(yīng)”，房間本身也會(huì)存在共振頻率。聲源的頻率與房間的共振頻率越接近，越易引起房間的共振，這個(gè)頻率的聲能密度就越強(qiáng)，就會(huì)對(duì)室內(nèi)音質(zhì)造成不良的影響[2]。

當(dāng)會(huì)議室較大時(shí)，為了保證遠(yuǎn)端有足夠的音量，通常在對(duì)稱位置設(shè)置揚(yáng)聲器，但是這樣又造成了聲源的干涉。當(dāng)兩列頻率相同的波在同一直線上正對(duì)或同向傳播時(shí)，疊加后因干涉而產(chǎn)生的波稱為駐波[3]。

駐波的特點(diǎn)是，在空間上出現(xiàn)穩(wěn)定的交替變化位移幅度場(chǎng)，有些位置是極大值，有些位置是極小值，兩者空間位置距離為1/4 波長(zhǎng)，在極大值和極小值之間出現(xiàn)過渡值。即在入射波與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，振幅因相減而減小。這就形成了位置固定的波腹與波節(jié)。對(duì)于聲壓而言，距墻面1/2 波長(zhǎng)處和距墻面1/2 波長(zhǎng)的整數(shù)倍處，聲壓最大，成為聲波的波腹。

從以上可以看出，室內(nèi)空間設(shè)計(jì)是影響聲音表現(xiàn)最大的因素，也是最難以克服的問題。因此，在設(shè)計(jì)會(huì)議室之前，必須要根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的處理方法，如改變墻面吸聲材料、墻面形狀、規(guī)劃揚(yáng)聲器的位置、規(guī)劃揚(yáng)聲器的方向等，從而有效避免聲學(xué)缺陷的產(chǎn)生。