在建筑聲學中，很多情況涉及到聲波在一個封閉空間內(nèi)(如劇院觀眾廳、播音室等)傳播的問題，這時，聲波傳播將受到封閉空間的各個界面(墻壁、頂棚、地面等)的約束，形成一個比在自由空間(如露天)要復雜得多的聲場。

　　這種聲場具有一些特有的聲學現(xiàn)象，如在距聲源同樣遠處要比在露天響一些;又如，在室內(nèi)，當聲源停止發(fā)聲后，聲音不會像在室外那樣立即消失，而要持續(xù)一段時間。這些現(xiàn)象對聽音有很大影響。因此，為了做好聲學設(shè)計，應(yīng)對聲音在室內(nèi)傳播的規(guī)律及室內(nèi)聲場的特點有所了解。

　　一、室內(nèi)聲場

　　從室外某一聲源發(fā)生的聲波，以球面波的形式連續(xù)向外傳播，隨著接收點與聲源距離的增加，聲能迅速衰減。在這種情況下，聲源發(fā)出的聲能無阻擋地向遠處傳播，接收點的聲能密度與聲源距離的平方成反比，即距離每增加1倍衰減6dB，性質(zhì)極為單純。

　　在劇院的觀眾廳、體育館、教室、播音室等封閉空間內(nèi)，聲波在傳播時將受到封閉空間各個界面(墻壁、頂棚、地面等)的反射與吸收，聲波相互重疊形成復雜聲場，即室內(nèi)聲場，并引起一系列特有的聲學特性。

　　（一）室內(nèi)聲場的特征

　　室內(nèi)聲場主要具有以下兩個特點：

　　1、距聲源有一定距離的接收點上，聲能密度比在自由聲場中要大，常不隨距離的平方衰減。

　　2、聲源在停止發(fā)聲以后，在一定的時間里，聲場中還存在著來自各個界面的遲到的反射聲，產(chǎn)生所胃“混響現(xiàn)象”。

室內(nèi)聲音傳播示意圖

　　此外，由于與房間的共振，引起室內(nèi)聲音某些頻率的加強或減弱;由于室的形狀和內(nèi)裝修材料的布置，形成回聲、顫動回聲及其他各種特異現(xiàn)象，產(chǎn)生一系列復雜問題。如何控制室的形狀及吸聲——反射材料的分布，使室內(nèi)具有良好的聲環(huán)境，是室內(nèi)聲學設(shè)計的主要目的。

　　（二）幾何聲學

　　忽略聲音的波動性質(zhì)，以幾何學的方法分析聲音能量的傳播、反射、擴散的叫“幾何聲學”。與此相對，著眼于聲音波動性的分析方法叫做“波動聲學”或“物理聲學”。

　　對于室內(nèi)聲場的分析，用波動聲學的方法只能解決體型簡單、頻率較低的較為單純的情況。在實際的大廳里，其界面的形狀和性質(zhì)復雜多變，用波動聲學的方法分析十分困難。但是在一個比波長大得多的室內(nèi)空間中，如果忽略聲音的波動性，用幾何學的方法分析，其結(jié)果就會十分簡單明了。因此在解決室內(nèi)聲學的多數(shù)實際問題中,常常用幾何學的方法，就是幾何聲學的方法。當然，這并不是說波動理論不重要，為了正確運用幾何聲學的方法，對聲音的波動性質(zhì)也應(yīng)有正確和足夠的理解。

室內(nèi)聲音反射的幾種典型情況

　　幾何聲學的方法就是把與聲波的波陣面相垂直的直線作為聲音的傳播方向和路徑，稱為“聲線”。聲線與反射性的平面相遇，產(chǎn)生反射聲。反射聲的方向遵循入射角等于反射角的原理。用這種方法可以簡單和形象地分析出許多室內(nèi)聲學現(xiàn)象，如直達聲與反射聲的傳播路徑、反射聲的延遲以及聲波的聚焦、發(fā)散等等。

　　二、室內(nèi)聲音的增長、穩(wěn)態(tài)與衰減

　　對于室內(nèi)聲音的形成，除了考慮其空間分布外，還需考慮到達某一接收點的直達聲和各個反射聲在時間上有先后;此外，在傳播過程中，由于碰到界面，部分聲能被吸收而由強變?nèi)?。下面把聲波到達某接受點的時間和能量因素結(jié)合空間分布一起，來研究聲音的增長、穩(wěn)態(tài)和衰減過程。

　　（一）擴散聲場的假定

　　幾何聲學中我們引入統(tǒng)計聲學的概念，假定聲源在連續(xù)發(fā)聲時聲場是完全擴散的。所謂擴散，有兩層含義：

　　(1)聲能密度在室內(nèi)均勻分布，即在室內(nèi)任一點上，其聲能密度都相等；

　　(2)在室內(nèi)任一點上，來自各個方向的聲能強度都相同。

　　基于上述假定，室內(nèi)內(nèi)表面上不論吸聲材料位于何處，效果都不會改變;同樣聲源與接收點不論在室內(nèi)的什么位置，室內(nèi)各點的聲能密度也不會改變。

室內(nèi)聲場的分布

　　（二）室內(nèi)聲音的增長、穩(wěn)態(tài)與衰減

　　在大多數(shù)實際的廳堂中，聲源發(fā)聲后，大約經(jīng)過1~2S，聲能密度即可接近最大值，即穩(wěn)態(tài)聲能密度。一個室內(nèi)吸聲量大、容積也大的房間，穩(wěn)態(tài)前某一時間的聲能密度，比一個吸聲量或容積小的房間聲能密度要小。還可以看出，室內(nèi)總吸聲量越大，衰減就越快；室容積越大，衰減越緩慢 。

　　室內(nèi)聲音的增長、穩(wěn)態(tài)和衰減過程可以用xxx形象地表示出來，圖中實線表示室內(nèi)表面反射很強的情況。此時，在聲源發(fā)聲后，很快就達到較高的聲能密度并進人穩(wěn)定狀態(tài);當聲源停止發(fā)聲，聲音將比較慢的衰減下去。虛線與點虛線則表示室內(nèi)表面的吸聲量增加到不同程度時的情況。

　　三、混響和混響時間計算公式

　　混響和混響時間是室內(nèi)聲學中最為重要和最基本的概念。所謂混響，是指聲源停止發(fā)聲后，在聲場中還存在著來自各個界面的遲到的反射聲形成的聲音“殘留”現(xiàn)象。這種殘留現(xiàn)象的長短以混響時間來表征：但房間內(nèi)聲聲場達到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后，使其停止發(fā)聲，聲能逐漸減少到原來聲能(穩(wěn)態(tài)時具有的聲能)的百萬分之一所經(jīng)歷，也就是聲壓級降低60dB所需的時間。一般用T60表示，單位為秒。

　　混響時間是目前音質(zhì)設(shè)計中能定量估算的重要評價指標。它直接影響廳堂音質(zhì)的效果。房間的混響長短是由它的吸音量和體積大小所決定的，體積大且吸音量小的房間，混響時間長，吸音量大且體積小的房間，混響時間就短?；祉憰r間過短，聲音發(fā)干，枯燥無味，不親切自然;混響時間過長，會使聲音含混不清;合適時聲音圓潤動聽。混響時間的大小與頻率相關(guān)，低頻、中頻、高頻的混響時間是不一樣的。一般所說的混響時間都是指平均混響時間。

　　假設(shè)混響聲場是一個房間，那么混響聲場中混響的程度，取決于聲能被四周的墻壁反射、吸收的程度以及房間中的物品。舉一個極端的例子，如果在理想的混響聲場中打了個噴嚏，那么噴嚏聲將被無限次反射，混響時間(T60)是永久持續(xù)的。但是這種理想的混響聲場很難實現(xiàn)，因為聲波會被四周的墻壁以及在聲場中的物品所吸收、投射等等。一個高混響的房間，常常被形容成是活的(Live)，而混響很少的房間，則被形容成死的(Dead)。

　　（一）混響半徑（臨界距離）

　　室內(nèi)聲場中直達聲聲能密度等于混響聲聲能密度的點與聲源的距離，被稱為混響半徑或臨界距離。臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的?；芈曉綇姷姆块g臨界距離越近，吸音越強的房間，臨界距離越遠。(臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的)。

　　好的聲學設(shè)計，臨界距離要離聲源盡可能遠，結(jié)果在全頻帶內(nèi)混響最小最平坦。直達聲從揚聲器系統(tǒng)開始遞補減，是距離的函數(shù)(平方反比定律)。但混響恒定地散布房間(新的聲音不斷從揚聲器發(fā)出，混響不斷建立，直到新的聲音與被吸收的聲音相等，因此混響保持恒定)兩曲線的交點就是臨界距離。

　　最佳聽音區(qū)一定位于臨界距離內(nèi)，因為臨界距離是以直達聲為主，清晰度和聲像定位最好。

　　房間無吸聲時的臨界距離距聲源很近，這種房間只適合近聲場聽音。

　　在吸聲的房間中，臨界距離被推向后墻，使最佳聽音區(qū)變寬。上圖中，附加的好處是漏到室外的聲壓降低了20dB，降低了對隔音的要求。

　　關(guān)于臨界距離(混響半徑)的一些特點：

　　1、當混響聲比直達聲大12db以上，聲音清晰度將全部失去;

　　2、混響越強的房間臨界距離越近，吸聲越強的房間臨界距離越遠;

　　3、近聲場或直達聲場在臨界距離內(nèi)，遠聲場或反射聲場(混響)在臨界距離外。

　　（二）混響與回聲

　　混響是室內(nèi)聲反射和聲擴散共同作用的結(jié)果。同樣是源于反射，但由于人耳的聽聞特性，混響和回聲有明顯的不同。

　　聲源的直達聲和近次反射聲相繼到達人耳，延遲時間小于30ms時，一般人耳不能區(qū)分出來，僅能覺察到音色和響度的變化，人們感覺到混響。但當兩個相繼到達的聲音時差超過50ms時(相當于直達聲與反射聲之間的聲程差大于17m)，人耳能分辯出來自不同方向的兩個獨立的聲音，這時有可能出現(xiàn)回聲?；芈暤母杏X會妨礙音樂和語言的清晰度(可懂度)，要避免。

　　（三）混響時間計算公式

　　長期以來，不少人對這一過程的定量化進行了研究，得出了適用于實際工程的混響時間計算公式。19世紀末，哈佛大學年青物理學家賽賓(W.C.Sabine)在解決學校Fogg藝術(shù)博物館聲學問題的過程中，進行了大量的吸聲試驗，提出了室內(nèi)混響理論，奠定了現(xiàn)代建筑聲學的理論基礎(chǔ)。他首先從試驗獲得混響時間的計算公式，通常又稱為賽賓公式。

　　根據(jù)賽賓公式可以看出，房間容積越大混響時間越長;平均吸聲系數(shù)越大，混響時間越短。體積巨大的空間，如果不進行吸聲處理的話，混響時間很長，造成講話清晰度下降。其提出控制混響時間主要有兩種方法：改變房間的容積和改變房間表面吸聲量。盡管在設(shè)計時改變房間的體積，但調(diào)整混響時間更實用的方法是改變吸聲量。

　　在室內(nèi)總吸聲量較小(吸聲系數(shù)小于0.2)、混響時間較長的情況下，有賽賓的混響時間計算公式求出的數(shù)值與時間測量值相當一致，而在室內(nèi)總吸聲量較大、混響時間較短的情況下，計算值則與實測值不符。

　　在室內(nèi)表面的平均吸聲系數(shù)較大時，只能用伊林公式計算室內(nèi)的混響時間。利用伊林公式計算混響時間時，在吸聲量的計算上也應(yīng)考慮兩部分：

　　1、室內(nèi)表面的吸聲量;

　　2、觀眾廳內(nèi)觀眾和座椅的吸聲量(有兩種計算方法：一種是觀眾或座椅的個數(shù)乘與單個吸聲量;二是按照觀眾和座椅所占的面積乘與單位面積的相應(yīng)吸聲量)

　　賽賓公式和伊林公式只考慮了室內(nèi)表面的吸收作用，對于頻率較高的聲音（一般為2000Hz以上），當房間較大時，在傳播過程中，空氣也將產(chǎn)生很大的吸收。這種吸收主要決定于空氣的相對濕度，其次的溫度的影響。這種考慮空氣吸收的混響時間計算公式稱為“伊林—努特生（Eyring-Knudsen)公式”。

　　四、房間共振和共振頻率

　　前面所述室內(nèi)聲音的增長、穩(wěn)態(tài)和衰減過程，都是從能量的增長、平衡以及衰減予以分析的，并沒有涉及聲音的波動性質(zhì)，沒有涉及到聲音的頻率。但在實際情況中，室內(nèi)有聲源發(fā)聲時，室內(nèi)的聲能密度就會由于聲源的頻率不同而有強有弱，即房間對不同的頻率有不同的“響應(yīng)”，房間本身也會“共振”，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，這個頻率的聲能密度就越強。

　　共振會使某些頻率的聲音在空間分布上很不均勻，即某些固定位置被加強，某些固定位置被減弱。所以，房間共振現(xiàn)象會對室內(nèi)音質(zhì)造成不良的影響。

　　（一）矩形房間的共振頻率

　　在矩形房間的三對平行表面間也可產(chǎn)生共振，稱為軸向共振。除了三個方向的軸向共振外，聲波還可在兩維空間內(nèi)出現(xiàn)駐波，稱為切向共振。此外，還會出現(xiàn)斜向共振。房間尺寸的選擇，對共振頻率有很大影響。

軸向共振

切向共振

斜向共振

　　（二）共振頻率的簡并

　　某些振動方式的共振頻率相同時，就會出現(xiàn)共振頻率的重疊現(xiàn)象，稱為共振頻率的簡并。在出現(xiàn)簡并的共振頻率上，那些與共振頻率相同的聲音將被大大加強，使人們感到聲音失真，稱之為聲染色。

　　想要克服共振頻率的簡并現(xiàn)象，需要選擇合適的房間尺寸，比例和形狀，并進行室內(nèi)表面處理。一般來說，房間的形狀越不規(guī)則越好。如果將房間的長、寬、高的比值選擇為無理數(shù)時，則可有效地避免共振頻率的簡并。再者，如果將房間的墻面或頂棚處理成不規(guī)則的形狀，布置聲擴散構(gòu)件，或合理布置吸聲材料，也可減少房間共振所引起的不良影響。

　　結(jié)語： 室內(nèi)聲學原理來源于物理聲學，同時又與材料學、心理學、建筑學等相互交融，形成具有獨特研究領(lǐng)域，以人和聽音環(huán)境為核心，側(cè)重于解決廳堂音質(zhì)和噪聲控制的科學分支。掌握這些重要的聲學知識，能夠更好地夯實影音行業(yè)、私家定制安裝等領(lǐng)域從業(yè)人員的技術(shù)實力，從而更好地服務(wù)于消費者。