房間聲學(xué)設(shè)計(jì)

1、房間聲學(xué)設(shè)計(jì)房間聲學(xué)設(shè)計(jì)清華大學(xué)建筑物理實(shí)驗(yàn)室清華大學(xué)建筑物理實(shí)驗(yàn)室 朱相棟朱相棟家庭影院對(duì)聲環(huán)境的要求音質(zhì)良好房間的要求和對(duì)策音質(zhì)良好房間的要求和對(duì)策要要 求求對(duì)對(duì) 策策足夠的響度正確選擇體型，必要時(shí)安裝擴(kuò)聲系統(tǒng)最佳的混響時(shí)間按照用途選擇合適的混響時(shí)間和它的頻率特性聲能均勻分布讓室內(nèi)聲場(chǎng)充分?jǐn)U散不出現(xiàn)回聲正確的選擇體型，并進(jìn)行吸聲擴(kuò)散處理降低室內(nèi)噪聲和振動(dòng)干擾采取隔聲和減振措施房間的響度問(wèn)題（在家庭影院中主要以電聲為主）最佳的混響時(shí)間室內(nèi)聲場(chǎng)建立和衰減過(guò)程不同混響時(shí)間計(jì)算公式的區(qū)別賽賓公式：適用于房間內(nèi)吸聲能力較弱的空間，例如音樂(lè)廳等長(zhǎng)混響的房間。（可用于簡(jiǎn)單條件下的估算）艾潤(rùn)公式：適用與房

2、間內(nèi)吸聲能力較強(qiáng)的房間，例如錄音室等短混響的房間。賽賓努特生公式：在賽賓公式的基礎(chǔ)上增加了針對(duì)高頻部分的空氣吸收。適用與房間較大，且吸聲能力較弱的房間。艾潤(rùn)努特生公式：在艾潤(rùn)公式的基礎(chǔ)上增加了針對(duì)高頻部分的空氣吸收。適用于房間較大，且吸聲能力較強(qiáng)的房間。室內(nèi)聲能均勻分布不出現(xiàn)回聲前面所示的兩個(gè)圖片是典型的室內(nèi)聲場(chǎng)分布的形象化表示。 第一張圖片中顯示的低頻部分在室內(nèi)形成的穩(wěn)定聲場(chǎng)。從圖中可以看出室內(nèi)聲場(chǎng)的起伏較大。造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是低頻部分聲波波長(zhǎng)較大，與房間室內(nèi)的幾何尺寸能夠形成簡(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系，因此不能再室內(nèi)形成穩(wěn)定的混響聲場(chǎng)，加之平行墻面造成的駐波現(xiàn)象存在。 第二張的圖片中是高頻部分聲

3、能在室內(nèi)形成的穩(wěn)定聲場(chǎng)。圖中顯示聲場(chǎng)起伏較小。高頻部分聲波的波長(zhǎng)較短，能再在房間內(nèi)形成多次反射。降低室內(nèi)噪聲和振動(dòng)干擾家庭影院中的聲環(huán)境問(wèn)題家庭影院的空間特點(diǎn)（一）： 由于小空間內(nèi)房間尺寸較小，與聲波波長(zhǎng)能發(fā)生一定的比例關(guān)系，尤其是在低頻部分200Hz甚至是更低的頻段左右。因此小房間固有的共振模式會(huì)引起某部分頻段聲音能量衰減不同于正常的衰減過(guò)程，或者共振頻率集中于某一頻段，造成聲染色現(xiàn)象，造成室內(nèi)聽(tīng)音效果變差。 家庭影院特點(diǎn)（二）： 家庭影院一般位于家庭或者寫(xiě)字樓內(nèi)，因此家庭影院與周?chē)臻g的相互干擾問(wèn)題需要妥善的解決。同時(shí)要求滿足家庭影院內(nèi)背景噪聲的要求。小空間內(nèi)的聲學(xué)指標(biāo) 根據(jù)小空間使用要求

4、不同，其聲學(xué)指標(biāo)也不盡相同。例如錄音室，其聲學(xué)指標(biāo)要求背景噪聲滿足NR-20曲線要求，混響時(shí)間一般要求小于0.5S，個(gè)別用途的錄音室混響時(shí)間要求小于0.3S；家庭影院、試聽(tīng)室等一般要求背景滿足NR20曲線要求即可，混響時(shí)間一般控制在0.30.4S即可。 小空間內(nèi)避免出現(xiàn)的聲學(xué)問(wèn)題 所有的小空間內(nèi)都要求消除駐波、振顫回聲、簡(jiǎn)正等聲學(xué)缺陷。 小空間內(nèi)需要達(dá)到的聲學(xué)效果 對(duì)于用于視聽(tīng)視聽(tīng)使用的小空間，室內(nèi)直觀的聽(tīng)音效果包括：清晰的對(duì)白、準(zhǔn)確的聲音定位、空間感十足的環(huán)繞聲場(chǎng)、平滑的聲像移動(dòng)、均衡的音色、寬廣的動(dòng)態(tài)范圍、每個(gè)座位都有好的效果。 小空間內(nèi)存在的聲學(xué)問(wèn)題 普通小空間內(nèi)的空間尺寸較小，與低頻部

5、分波長(zhǎng)相近或者與低頻部分波長(zhǎng)的 呈簡(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系，房間產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 軸向共振nc=2Lcf 22,2yxnx nyxynncfLL 切向共振222,2yxznx ny nzxyznnncfLLL斜向共振 當(dāng)聲波接觸到界面后被反射回來(lái)，墻面的吸收系數(shù)太小，經(jīng)吸收衰減的反射波能量較大，仍然能夠與入射波發(fā)聲干涉現(xiàn)象。產(chǎn)生駐波或梳狀濾波現(xiàn)象。 在視聽(tīng)空間內(nèi)過(guò)強(qiáng)的一次反射聲會(huì)誤導(dǎo)觀眾對(duì)聲像定位的判斷，影響室內(nèi)立體聲場(chǎng)的分布。當(dāng)一側(cè)的音箱發(fā)出的直達(dá)聲經(jīng)過(guò)另一側(cè)的墻面反射后達(dá)到另一側(cè)的人耳時(shí)會(huì)略晚于另一側(cè)音箱的直達(dá)聲到達(dá)人耳，且存在一個(gè)極小的時(shí)間間隙。當(dāng)反射聲強(qiáng)度足夠大或方向性足夠強(qiáng)的情況下，會(huì)擾亂大腦對(duì)

6、聲音來(lái)源的判斷，造成聲像定位偏移。 音響系統(tǒng)的重放頻率的下限可以達(dá)到20Hz，成熟的室內(nèi)音質(zhì)控制技術(shù)是125Hz，因此在家庭影院這樣的小空間內(nèi)，如何處理低頻部分的聲場(chǎng)分布和混響問(wèn)題是解決室內(nèi)音質(zhì)的首要問(wèn)題。解決途徑主要有室內(nèi)體型、比例、吸聲和擴(kuò)散材料布置。其中，混響時(shí)間可以進(jìn)行計(jì)算，其他指標(biāo)只能定性考慮，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解決。家庭影院聲學(xué)設(shè)計(jì)房間體型 當(dāng)房間內(nèi)存在聲源發(fā)聲時(shí)，激發(fā)信號(hào)會(huì)引起房間的共振。在激發(fā)頻率范圍和相鄰頻率內(nèi)形成簡(jiǎn)正波。房間內(nèi)聲壓等于所有簡(jiǎn)正波聲壓之和。當(dāng)簡(jiǎn)正波的密度足夠大時(shí)，聽(tīng)覺(jué)上就會(huì)感覺(jué)到聲壓分布均勻。 室內(nèi)的容積和幾何尺寸決定了室內(nèi)簡(jiǎn)正波的數(shù)量和密度。房間內(nèi)簡(jiǎn)正波的數(shù)量

7、和房間的容積和頻率的三次方成正比，簡(jiǎn)正波的密度與房間容積和頻率的平方成正比。 在一個(gè)6mX7mX8m的房間內(nèi)，房間共振頻率隨頻率的分布情況。從右圖可知，房間容積越大，頻率越高，共振頻率的峰值越接近，聲場(chǎng)分布越趨于均勻。 房間的最小容積與房間需要重放頻率下限存在如下關(guān)系： 其中：V是房間最小容積m3，是下限頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)m。minmax4V 規(guī)則的體型容易在室內(nèi)造成聲學(xué)缺陷。尤其是空間的長(zhǎng)寬高比例是整數(shù)比的情況下。因此可在空間體型設(shè)計(jì)之處，確定室內(nèi)空間大小時(shí)調(diào)整長(zhǎng)寬高的比例。理想的長(zhǎng)寬高比例應(yīng)該是無(wú)理數(shù)的比，這樣可以避免簡(jiǎn)正波發(fā)生簡(jiǎn)并。高111111寬1.141.281.601.401.301.

8、50長(zhǎng)1.391.542.331.901.902.10 當(dāng)房間內(nèi)原有的尺寸及實(shí)際中可調(diào)的尺寸不能滿足理想的比例要求時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整室內(nèi)墻面和天花的形狀使簡(jiǎn)正波均勻分布?；蛘咄ㄟ^(guò)增加房間的共振阻尼來(lái)減弱房間的共振效應(yīng)。 對(duì)于較低頻率的共振引起的室內(nèi)聲場(chǎng)分布不均勻的問(wèn)題，調(diào)整室內(nèi)空間效果并不明顯，建議通過(guò)電聲系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行彌補(bǔ)。家庭影院的聲學(xué)設(shè)計(jì)室內(nèi)反射聲 小房間內(nèi)的反射聲分布是為觀看者提供空間感得重要來(lái)源。 在混響時(shí)間過(guò)短的房間內(nèi)，反射聲不足，人們聽(tīng)到的只是音響發(fā)出來(lái)的聲音信息，會(huì)感覺(jué)聲音蒼白無(wú)力，沒(méi)有空間感。即使依靠揚(yáng)聲器重放加有混響效果的聲音，聲像會(huì)更加立體，但是不可能重塑空間感。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

9、，當(dāng)反射聲的延時(shí)不超過(guò)100ms，反射聲是從側(cè)面反射向觀眾，且各個(gè)反射聲毫不相干的情況下，主要保證能存在幾個(gè)反射聲，也能塑造良好的空間感。 室內(nèi)混響時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成反射聲過(guò)于密集，混響聲壓較高，能夠掩蔽室內(nèi)出此案的聲學(xué)缺陷。由反射聲造成的空間感較強(qiáng)，但是音響系統(tǒng)的聲音效果會(huì)變得含混不清。室內(nèi)混響時(shí)間過(guò)短，混響聲壓較低，室內(nèi)存在的聲學(xué)缺陷會(huì)比較突出。雖然音響效果明顯了但是同樣不可取。而且在過(guò)短的混響時(shí)間條件下，反射聲相對(duì)較弱，同樣會(huì)影響空間感的塑造。反射聲的處理方式和室內(nèi)混響控制存在著相矛盾的一些因素。在家庭影院的設(shè)計(jì)中，通常做法是在前部，也就是音響附近進(jìn)行強(qiáng)吸聲處理，消除反射聲，避免音箱后墻反

10、射回來(lái)的聲音與音箱發(fā)出的聲音相干涉。在后部進(jìn)行擴(kuò)散處理，保留反射聲創(chuàng)造室內(nèi)空間感。家庭影院的聲學(xué)設(shè)計(jì)混響時(shí)間計(jì)算室內(nèi)混響時(shí)間控制的主要步驟：（一）確定室內(nèi)混響時(shí)間指標(biāo)；（二）根據(jù)裝修方案，和室內(nèi)家具布置對(duì)室內(nèi)混響時(shí)間進(jìn)行初步計(jì)算；（三）如計(jì)算結(jié)果不能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，則調(diào)整裝修用材的面積和做法。常用材料的吸聲特性： 薄板共振吸收特性主要以吸收低頻為主，主要吸收頻率約在125Hz250Hz附近。根據(jù)板材的厚度和其背后空腔大小不同，吸聲特性會(huì)發(fā)聲變化，通常為增加板材的低頻吸聲特性，可增加板材后空腔的深度。常用的薄板吸聲構(gòu)造主要有木質(zhì)板材系列，包括木夾板、薄木板、密度板等；礦物板材系列，包括石膏板、硅酸

11、鈣板等。 多孔性吸聲材料主要包括玻璃棉、密胺海棉（三聚氰胺海棉）、聚酯纖維板、布藝吸聲軟包等。其吸聲特性以吸收中高頻為主，主要吸聲頻段為500Hz以上，其吸聲系數(shù)可高達(dá)0.91.0. 常用裝修材料的吸聲系數(shù)（低頻吸收材料）：1252505001000200040009厚石膏板0.260.130.080.060.060.06三夾板0.250.200.100.080.080.08硅酸鈣板0.030.040.040.040.060.06常用裝修材料的吸聲系數(shù)（高頻吸收材料）：125250500100020004000玻璃棉氈0.400.800.850.900.850.85吸聲軟包0.200.600.

12、800.850.900.90密胺海棉0.150.510.880.950.920.92 混響時(shí)間計(jì)算樣表： 混響時(shí)間計(jì)算中，家具的吸聲系數(shù)同樣不容忽視。下表是典型房間內(nèi)混響時(shí)間值。隨著布藝裝飾和軟質(zhì)家具使用增加，室內(nèi)混響時(shí)間會(huì)更短。在室內(nèi)吸聲材料布置中，切忌將某一類(lèi)型的吸聲材料集中布置。不同類(lèi)型吸聲材料宜交錯(cuò)布置，且均勻分布在室內(nèi)（房間前部音響附近除外）。 家庭影院內(nèi)的混響感是聲音信號(hào)錄制和調(diào)制的混響效果與聽(tīng)音環(huán)境的混響效果之和。因此在家庭影院內(nèi)播放節(jié)目時(shí)，實(shí)際的混響感通常會(huì)比節(jié)目錄制的混響感略長(zhǎng)。家庭影院的聲學(xué)設(shè)計(jì)擴(kuò)散處理為消除室內(nèi)可能產(chǎn)生的聲學(xué)缺陷，在空間內(nèi)部增加擴(kuò)散體的做法，通過(guò)對(duì)墻面進(jìn)行

13、凸凹的變化，使房間簡(jiǎn)正模式均勻分布從而實(shí)現(xiàn)平滑的低頻相應(yīng)，改善室內(nèi)聲場(chǎng)。對(duì)于由于反射聲引起的聲像定位偏移現(xiàn)象，可以在引起反射的墻面設(shè)置擴(kuò)散體或者強(qiáng)吸聲材料，消除反射聲的影響。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，它們的尺寸關(guān)系可由下式估算：式中：a擴(kuò)散體寬度，m； b擴(kuò)散體凸出高度，m；g擴(kuò)散體間距，m；c空氣中聲速，ms；f聲波的頻率，Hz；聲波的波長(zhǎng)，m。 為墻面平整美觀，可以采用以下擴(kuò)散處理方式。使用透聲飾面材料將不規(guī)則的擴(kuò)散體進(jìn)行遮擋。家庭影院的聲學(xué)設(shè)計(jì)隔聲設(shè)計(jì) 當(dāng)室內(nèi)背景噪聲要求滿足NR-15曲線要求時(shí)，墻體隔聲設(shè)計(jì)要求隔聲量指標(biāo)達(dá)到60dB要求，當(dāng)室內(nèi)背景噪聲要求滿足NR-20曲線要求時(shí)，墻體隔聲量指標(biāo)可相

14、應(yīng)降低至55dB。此設(shè)計(jì)要求是針對(duì)普通住宅空間和普通辦公空間提出。 環(huán)繞立體聲家庭影院的電聲設(shè)備中包括有低音音箱，其聲音能量和振動(dòng)能量巨大，因此要需要對(duì)其設(shè)置減振基座。 設(shè)計(jì)實(shí)例介紹 該試聽(tīng)室位于普通商用辦公樓中間。主要用于電影等娛樂(lè)活動(dòng)使用，建聲設(shè)計(jì)主要為電聲系統(tǒng)工作創(chuàng)造良好的還原聲效的建聲環(huán)境。 設(shè)計(jì)指標(biāo)背景噪聲滿足NR-20曲線要求，混響時(shí)間中頻0.40.1S，音響系統(tǒng)工作條件下室內(nèi)聲場(chǎng)不均勻度小于2dB，無(wú)聲學(xué)缺陷。設(shè)計(jì)實(shí)例室內(nèi)聲場(chǎng)設(shè)計(jì) 裝修設(shè)計(jì)在試聽(tīng)室兩側(cè)墻采用壁柱和布藝吸聲軟包交錯(cuò)布置的方式。根據(jù)聲學(xué)要求，將壁柱的外表面使用木夾板包裹成圓弧形狀，對(duì)聲音進(jìn)行擴(kuò)散。壁柱中間的布藝吸聲軟

15、包部分外在保持外表面表觀一致的情況下，在內(nèi)部布置擴(kuò)散構(gòu)造，對(duì)入射到其表面的聲音能量進(jìn)行吸收和散射。 在試聽(tīng)室后墻設(shè)置多寶格裝飾構(gòu)造。其后壁安裝吸聲材料，同時(shí)由于多寶格凸凹不平的外觀樣子和交錯(cuò)布置的薄板封面，對(duì)入射到其表面的聲能也能起到一定的散射作用。有外窗一側(cè)安裝厚重的吸聲窗簾，拉開(kāi)和閉合窗簾能夠調(diào)節(jié)室內(nèi)混響時(shí)間。吊頂采用根據(jù)數(shù)論計(jì)算確定的QRD擴(kuò)散構(gòu)造，避免頂面和地面之間產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 設(shè)計(jì)實(shí)例室內(nèi)混響時(shí)間控制 墻面使用布藝吸聲軟包和木夾板交錯(cuò)布置，合理控制室內(nèi)混響時(shí)間。布藝吸聲軟包吸聲特性以中高頻為主，通過(guò)增加軟包后空腔大小，增加低頻部分吸聲特性。外窗內(nèi)側(cè)安裝厚重的吸聲窗簾，一是增加室內(nèi)吸聲量，降低混響時(shí)間，二是能起到良好的遮光作用，保證室內(nèi)觀賞影片時(shí)不受外界干擾