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  音乐厅声学的声反射、吸收和混响时间

1.表面的声吸收 

  当声音投射到一个固体障碍物上时,大部分声能将被障碍物表面反射;一小部分被障碍物吸收并最终转化为热能;另一小部分将穿透这个障碍物。这三部分的相对份额要视障碍物表面光滑程度、障碍物材料的比重和障碍物的形状及厚度等因素而定。光滑坚硬表面的声能反射系数比较大,一般在90%以上,而减少声波反射的最常用办法是增加声能的吸收和透射。这里存在两种物理机制:共振吸声和多孔吸声,一些柔软多孔的表面,吸收性能较好。这是由于,在柔软多孔介质中,声波的空气振动比较容易转化为介质的振动并通过摩擦转达化为热能耗散掉。


在表中列举了一些常用建筑材料的吸收系数。

一些常用建筑材料的吸收系数

材料 a吸收系数(对500赫兹频率纯音)
声学砖 0.50
未上釉砖 0.03
水泥面上的厚地毯 0.11
天鹅绒(0.034千克/米2) 0.49
水泥地面上的拼花木地板 0.07
普通的窗玻璃 0.18
石灰,水泥 0.05
三合板(6毫米) 0.17

2、直接声与反射声

  由舞台上传出的乐声,通过五种途径到达听众的耳中,第一,直接声D,由乐声声源按近似球面波的形式,直接传达听众耳中。这时声能密度,也即声强,大致与距离平方成反比,由于听众的眼睛基本上处在舞台声源到他耳朵的联线上,因此可以说,凡是看得见舞台声源的听众也能听到发自该声源的直接声;反之也是。有的音乐厅楼厅的某些座位,听众靠在座位上就看不见舞台的声源,这样就不能听到直接声,越靠近舞台,直接声越大,越远离舞台,直接声越小。第二,大厅两侧墙壁的反射声R1,R2,R1,R2到达听众耳中的时间延迟和响度(相对于直接声而言)均和大厅跨度、侧墙敷面材料及表面形状有关。就正厅中心轴线的座位而言。由于对称,R1和R2同时到达并且响度也相等。第三,天花板反射声R3。舞台上的声音传向天花板,再反射,到达听众耳中便是R3。R3的时间延迟、响度及频谱和大厅高度,附加天花板(有时称为”浮云“)的倾斜角度及其具体构造有关。第四,舞台罩反射声R4。舞台上的声音传向舞台罩,再经舞台罩反射后转传向听众的反射声。R4和舞台罩的形状和材料有关。第五,多次反射声,从舞台上发出的声音经大厅的侧墙、地面、舞台罩、天花板等处多次反射后传出听众耳中的声音。由于经历一次反射,声音便被吸收一些(其频谱也多少会有变化),所以经历的反射次数越多,响度也越弱,方向也更杂乱而趋于各向同性。与此同时,由于多次反射声的传播路径较长,到达听众耳中的时间也更加延迟。如此多次反射,声音逐渐溶入混响之中并逐渐消失。

3.初始时间延迟间隙及混响

  从时间上看,直接声和它和各种反射声的时间分布如图所示,这里,当测听者座位不在正厅中轴线时,R1,R2并不等时,图中,直接声和R1之间的时间间隙被称为初始时间延迟间隙(通常以毫秒度量)。它是音乐厅音质的四个客观标准中的一个,并且直接关系到主观优选评价中的一个重要项目——亲切感。如果这个间隙小于20毫秒,听起来R1和直接声将共同形成一个响度较大、音质较好的声音;如果厅的尺寸很大,使这个间隙大于70毫秒,听起来R1便是回声。在R4之后已属于多次反射声,经们越来越多,越重叠,越弱。逐渐溶成室内音特有的混响,混响声的强度大体呈指数下降。

  混响声的定义是:在直接声消失后,室内持续的声音。为度量混响的时间,通常定义混响时间T为:混响声和声压级下降60分贝所需的时间(以秒度量)。由于声吸收通常和频率有关。因此混响时间一般与频率有关。所以通常区分为低频混响(取频率67,125,250赫兹)、中频混响(取频率500赫兹或500-1000赫兹)、高频混响(频率≧2000赫兹以上),混响时间是音乐厅音质的四个客观标准中的另一个。对于语言厅,由于要求语言清晰,混响时间效短,通常T500-(0.5-1.2秒);但对交响乐音乐厅,由于要求声音有很好的丰满性(参见下节叙述),混响时间要求较长:T500-(0.5-2.2秒)。

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