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小型房间的声学分区及特性概述

2017-11-14

原文:Handbook for Sound Engineers-The New Audio Cyclopedia (2nd edition), Chapter 3-Acoustics of Small Rooms

  在自由场中对点声源的计算或无阻碍球面传播的计算相比于房间内部的声学计算要简单许多。我们一般认为,人耳可听的频响范围是20-20kHz,在如此宽的频带中,不同频段在房间中的传播表现形式是不一样的。对于低频区域来讲,房间混响对于房间声学特性起主要作用,而在高频段,线性传播方式将对房间声学特性起主要影响。如此宽的频带,不同的频率混合,表现形式不一,将会对我们了解房间的声学特性造成困扰,计算变得相当复杂。由此我们应当将全频域分段,单独进行计算,以便了解房间声学特性。
当我们面对一个小型房间时,我们可以很容易的将房间频响分为四个部分:
第一部分:自由区(X区)
第二部分:典型区(A区)
第三部分:混合区(B区)
第四部分:线性区(C区)

  在一个小房间四个分区中:自由区没有任何模态耦合效应,而典型区更适用于利用点声源声传播方式进行计算,线性区更适用于线性声源传播方式进行计算。混合区需要用复合方式进行计算。
  举例来说在一个长6.7米,宽5.5米,高4.3米的空间中。我们可以根据长度得出空间的最低频率分界点(X区与A区的分界点)。分界点的计算公式为:声速(一般空气中传播速度为344米/秒),除以房间最长边两倍的距离,即:f=344/2L。在这个例子中分界点频率约为26Hz。而A区和B区的分界点频率计算公式为f=1905√(T/V),其中T代表房间的混响时间,而V代表房间容积。假设该房间混响时间为0.5秒,通过计算我们可以得出A区与B区的分界点约为107Hz。一般来说B区与C区的分界线频率约为4f,在这个例子当中我们可以得出大约为428Hz。这样我们就将这个小房间分为了4个部分:X区0-26Hz,A区26-107Hz,B区107-428Hz,C区408-20000Hz。
  正如上文所说我们需要对不同区域运用不同的计算方式进行计算。除了X区以外,因为该区域的划定完全取决于房间最长边的长度和声速。对于A区,B区,C区的分界线(f以及4f)我们需要强调,该分界点只是通过一个数学模型区进行分区,方便我们之后的计算,而非在这个分界线两端,声音的表现将完全不同。他们之间的改变是连续过渡的。
  模态共振的次数会随着由A区到C区的过渡而增加,但在X区却基本没有。这并不意味着在X区(344/2L及以下频率)内的频率不存在于房间内,而是向我们指出,在这个区域的频率并不会对房间频率响应造成很大影响。
房间尺寸对于声学质量的影响可以通过下图进行概览:

  在解释这个图示之前,我们要先明确一点,即所采用的房间混响时间大约为0.5秒上下。混响时间在这里的作用仅限于对 “阻尼”以及房间吸声系数的一个说明,而长边344/2L这个值是必须知道的。
  通过图中所示可看出,低频下限与长边长度相关。在体积越小的房间中,低频下限越高,同时低频响应越差。在一个非常小的,仅限于语言扩声的场所中,这个问题可能并不会有很严重的后果,因为一般来说只有10%左右的语言信息会在200Hz以下的地方,当然,这只是其中一部分的问题。
  A区(典型区)随着房间体积的增大而减小,这意味着,越小的房间中,越多的可听到的频率将会遵循点声源扩散的特性进行传播,也有更多的模态共振产生。这同时意味着,将有更多的稳态响应区间,会造成更严重的声染色以及更多频段上的不规则性房间响应。B区(混合特性区),也会随着空间的减小而增加。当然在B区占主导的衍射及扩散特性相较于A区的模态共振还有很大的不同,这些也会成为扩声问题。C区(线性区)表现为高度的线性扩散特性,随着A区及B区的增加而减小,当房间声学问题在C区当中产生时,我们使用简单的声学设计就可以解决相应的问题。
  总的来说,在系统设计及调试时应着重对A区及B区所会产生的问题进行预判。因为这两个区域的声学问题可能会比较难解决。而X区是由于物理特性所无法控制的,且是不含有主要的信息的频段,C区的声传播物理特性将帮助我们相对容易的解决在该频段内的所产生的声学问题。


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