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

　　這種聲場(chǎng)具有一些特有的聲學(xué)現(xiàn)象，如在距聲源同樣遠(yuǎn)處要比在露天響一些;又如，在室內(nèi)，當(dāng)聲源停止發(fā)聲后，聲音不會(huì)像在室外那樣立即消失，而要持續(xù)一段時(shí)間。這些現(xiàn)象對(duì)聽(tīng)音有很大影響。因此，為了做好聲學(xué)設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)聲音在室內(nèi)傳播的規(guī)律及室內(nèi)聲場(chǎng)的特點(diǎn)有所了解。

　　一、室內(nèi)聲場(chǎng)

　　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(diǎn)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(wú)阻擋地向遠(yuǎn)處傳播，接收點(diǎn)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(shí)將受到封閉空間各個(gè)界面(墻壁、頂棚、地面等)的反射與吸收，聲波相互重疊形成復(fù)雜聲場(chǎng)，即室內(nèi)聲場(chǎng)，并引起一系列特有的聲學(xué)特性。

　　（一）室內(nèi)聲場(chǎng)的特征

　　室內(nèi)聲場(chǎng)主要具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

　　1、距聲源有一定距離的接收點(diǎn)上，聲能密度比在自由聲場(chǎng)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(shí)間里，聲場(chǎng)中還存在著來(lái)自各個(gè)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(qiáng)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(dòng)回聲及其他各種特異現(xiàn)象，產(chǎn)生一系列復(fù)雜問(wèn)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(xué)設(shè)計(jì)的主要目的。

　　（二）幾何聲學(xué)

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

　　對(duì)于室內(nèi)聲場(chǎng)的分析，用波動(dòng)聲學(xué)的方法只能解決體型簡(jiǎn)單、頻率較低的較為單純的情況。在實(shí)際的大廳里，其界面的形狀和性質(zhì)復(fù)雜多變，用波動(dòng)聲學(xué)的方法分析十分困難。但是在一個(gè)比波長(zhǎng)大得多的室內(nèi)空間中，如果忽略聲音的波動(dòng)性，用幾何學(xué)的方法分析，其結(jié)果就會(huì)十分簡(jiǎn)單明了。因此在解決室內(nèi)聲學(xué)的多數(shù)實(shí)際問(wèn)題中,常常用幾何學(xué)的方法，就是幾何聲學(xué)的方法。當(dāng)然，這并不是說(shuō)波動(dòng)理論不重要，為了正確運(yùn)用幾何聲學(xué)的方法，對(duì)聲音的波動(dòng)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(xué)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(chēng)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(jiǎn)單和形象地分析出許多室內(nèi)聲學(xué)現(xiàn)象，如直達(dá)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(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)與衰減

　　對(duì)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(dá)某一接收點(diǎn)的直達(dá)聲和各個(gè)反射聲在時(shí)間上有先后;此外，在傳播過(guò)程中，由于碰到界面，部分聲能被吸收而由強(qiáng)變?nèi)?。下面把聲波到達(dá)某接受點(diǎn)的時(shí)間和能量因素結(jié)合空間分布一起，來(lái)研究聲音的增長(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)和衰減過(guò)程。

　　（一）擴(kuò)散聲場(chǎng)的假定

　　幾何聲學(xué)中我們引入統(tǒng)計(jì)聲學(xué)的概念，假定聲源在連續(xù)發(fā)聲時(shí)聲場(chǎng)是完全擴(kuò)散的。所謂擴(kuò)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(diǎn)上，其聲能密度都相等；

　　(2)在室內(nèi)任一點(diǎn)上，來(lái)自各個(gè)方向的聲能強(qiáng)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(huì)改變;同樣聲源與接收點(diǎn)不論在室內(nèi)的什么位置，室內(nèi)各點(diǎn)的聲能密度也不會(huì)改變。

室內(nèi)聲場(chǎng)的分布

　　（二）室內(nèi)聲音的增長(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)與衰減

　　在大多數(shù)實(shí)際的廳堂中，聲源發(fā)聲后，大約經(jīng)過(guò)1~2S，聲能密度即可接近最大值，即穩(wěn)態(tài)聲能密度。一個(gè)室內(nèi)吸聲量大、容積也大的房間，穩(wěn)態(tài)前某一時(shí)間的聲能密度，比一個(gè)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(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)和衰減過(guò)程可以用xxx形象地表示出來(lái)，圖中實(shí)線表示室內(nèi)表面反射很強(qiáng)的情況。此時(shí)，在聲源發(fā)聲后，很快就達(dá)到較高的聲能密度并進(jìn)人穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)聲源停止發(fā)聲，聲音將比較慢的衰減下去。虛線與點(diǎn)虛線則表示室內(nèi)表面的吸聲量增加到不同程度時(shí)的情況。

　　三、混響和混響時(shí)間計(jì)算公式

　　混響和混響時(shí)間是室內(nèi)聲學(xué)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(chǎng)中還存在著來(lái)自各個(gè)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(zhǎng)短以混響時(shí)間來(lái)表征：但房間內(nèi)聲聲場(chǎng)達(dá)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(lái)聲能(穩(wěn)態(tài)時(shí)具有的聲能)的百萬(wàn)分之一所經(jīng)歷，也就是聲壓級(jí)降低60dB所需的時(shí)間。一般用T60表示，單位為秒。

　　混響時(shí)間是目前音質(zhì)設(shè)計(jì)中能定量估算的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。它直接影響廳堂音質(zhì)的效果。房間的混響長(zhǎng)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(shí)間長(zhǎng)，吸音量大且體積小的房間，混響時(shí)間就短?；祉憰r(shí)間過(guò)短，聲音發(fā)干，枯燥無(wú)味，不親切自然;混響時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使聲音含混不清;合適時(shí)聲音圓潤(rùn)動(dòng)聽(tīng)?；祉憰r(shí)間的大小與頻率相關(guān)，低頻、中頻、高頻的混響時(shí)間是不一樣的。一般所說(shuō)的混響時(shí)間都是指平均混響時(shí)間。

　　假設(shè)混響聲場(chǎng)是一個(gè)房間，那么混響聲場(chǎng)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(gè)極端的例子，如果在理想的混響聲場(chǎng)中打了個(gè)噴嚏，那么噴嚏聲將被無(wú)限次反射，混響時(shí)間(T60)是永久持續(xù)的。但是這種理想的混響聲場(chǎng)很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槁暡〞?huì)被四周的墻壁以及在聲場(chǎng)中的物品所吸收、投射等等。一個(gè)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(chǎng)中直達(dá)聲聲能密度等于混響聲聲能密度的點(diǎn)與聲源的距離，被稱(chēng)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?qiáng)的房間臨界距離越近，吸音越強(qiáng)的房間，臨界距離越遠(yuǎn)。(臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的)。

　　好的聲學(xué)設(shè)計(jì)，臨界距離要離聲源盡可能遠(yuǎn)，結(jié)果在全頻帶內(nèi)混響最小最平坦。直達(dá)聲從揚(yáng)聲器系統(tǒng)開(kāi)始遞補(bǔ)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(yáng)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(diǎn)就是臨界距離。

　　最佳聽(tīng)音區(qū)一定位于臨界距離內(nèi)，因?yàn)榕R界距離是以直達(dá)聲為主，清晰度和聲像定位最好。

　　房間無(wú)吸聲時(shí)的臨界距離距聲源很近，這種房間只適合近聲場(chǎng)聽(tīng)音。

　　在吸聲的房間中，臨界距離被推向后墻，使最佳聽(tīng)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(duì)隔音的要求。

　　關(guān)于臨界距離(混響半徑)的一些特點(diǎn)：

　　1、當(dāng)混響聲比直達(dá)聲大12db以上，聲音清晰度將全部失去;

　　2、混響越強(qiáng)的房間臨界距離越近，吸聲越強(qiáng)的房間臨界距離越遠(yuǎn);

　　3、近聲場(chǎng)或直達(dá)聲場(chǎng)在臨界距離內(nèi)，遠(yuǎn)聲場(chǎng)或反射聲場(chǎng)(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(kuò)散共同作用的結(jié)果。同樣是源于反射，但由于人耳的聽(tīng)聞特性，混響和回聲有明顯的不同。

　　聲源的直達(dá)聲和近次反射聲相繼到達(dá)人耳，延遲時(shí)間小于30ms時(shí)，一般人耳不能區(qū)分出來(lái)，僅能覺(jué)察到音色和響度的變化，人們感覺(jué)到混響。但當(dāng)兩個(gè)相繼到達(dá)的聲音時(shí)差超過(guò)50ms時(shí)(相當(dāng)于直達(dá)聲與反射聲之間的聲程差大于17m)，人耳能分辯出來(lái)自不同方向的兩個(gè)獨(dú)立的聲音，這時(shí)有可能出現(xiàn)回聲?；芈暤母杏X(jué)會(huì)妨礙音樂(lè)和語(yǔ)言的清晰度(可懂度)，要避免。

　　（三）混響時(shí)間計(jì)算公式

　　長(zhǎng)期以來(lái)，不少人對(duì)這一過(guò)程的定量化進(jìn)行了研究，得出了適用于實(shí)際工程的混響時(shí)間計(jì)算公式。19世紀(jì)末，哈佛大學(xué)年青物理學(xué)家賽賓(W.C.Sabine)在解決學(xué)校Fogg藝術(shù)博物館聲學(xué)問(wèn)題的過(guò)程中，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(chēng)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(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。盡管在設(shè)計(jì)時(shí)改變房間的體積，但調(diào)整混響時(shí)間更實(shí)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(shí)間較長(zhǎng)的情況下，有賽賓的混響時(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。

　　在室內(nèi)表面的平均吸聲系數(shù)較大時(shí)，只能用伊林公式計(jì)算室內(nèi)的混響時(shí)間。利用伊林公式計(jì)算混響時(shí)間時(shí)，在吸聲量的計(jì)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(jì)算方法：一種是觀眾或座椅的個(gè)數(shù)乘與單個(gè)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(duì)于頻率較高的聲音（一般為2000Hz以上），當(dāng)房間較大時(shí)，在傳播過(guò)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(duì)濕度，其次的溫度的影響。這種考慮空氣吸收的混響時(shí)間計(jì)算公式稱(chēng)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(zhǎng)、穩(wěn)態(tài)和衰減過(guò)程，都是從能量的增長(zhǎng)、平衡以及衰減予以分析的，并沒(méi)有涉及聲音的波動(dòng)性質(zhì)，沒(méi)有涉及到聲音的頻率。但在實(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)“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(gè)頻率的聲能密度就越強(qiáng)。

　　共振會(huì)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(qiáng)，某些固定位置被減弱。所以，房間共振現(xiàn)象會(huì)對(duì)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(duì)平行表面間也可產(chǎn)生共振，稱(chēng)為軸向共振。除了三個(gè)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(chēng)為切向共振。此外，還會(huì)出現(xiàn)斜向共振。房間尺寸的選擇，對(duì)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(jiǎn)并

　　某些振動(dòng)方式的共振頻率相同時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)共振頻率的重疊現(xiàn)象，稱(chēng)為共振頻率的簡(jiǎn)并。在出現(xiàn)簡(jiǎn)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(qiáng)，使人們感到聲音失真，稱(chēng)之為聲染色。

　　想要克服共振頻率的簡(jiǎn)并現(xiàn)象，需要選擇合適的房間尺寸，比例和形狀，并進(jìn)行室內(nèi)表面處理。一般來(lái)說(shuō)，房間的形狀越不規(guī)則越好。如果將房間的長(zhǎng)、寬、高的比值選擇為無(wú)理數(shù)時(shí)，則可有效地避免共振頻率的簡(jiǎn)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(kuò)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(yǔ)： 室內(nèi)聲學(xué)原理來(lái)源于物理聲學(xué)，同時(shí)又與材料學(xué)、心理學(xué)、建筑學(xué)等相互交融，形成具有獨(dú)特研究領(lǐng)域，以人和聽(tīng)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(xué)分支。掌握這些重要的聲學(xué)知識(shí)，能夠更好地夯實(shí)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(shí)力，從而更好地服務(wù)于消費(fèi)者。