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一、聲音的產(chǎn)生與傳播

　　聲音是人耳通過聽覺神經(jīng)對空氣振動的主觀感受。

　　聲音產(chǎn)生于物體的振動，例如揚聲器的紙盆、撥動的琴弦等等。這些振動的物體稱之為聲源。聲源發(fā)聲后，必須經(jīng)過一定的介質(zhì)才能向外傳播。這種介質(zhì)可以是氣體，也可以是液體和固體。在受到聲源振動的干擾后，介質(zhì)的分子也隨之發(fā)生振動，從而使能量向外傳播。但必須指出，介質(zhì)的分子只是在其未被擾動前的平衡位置附近作來回振動，并沒有隨聲波一起向外移動。介質(zhì)分子的振動傳到人耳時，將引起人耳耳膜的振動，最終通過聽覺神經(jīng)而產(chǎn)生聲音的感覺。例如，揚聲器的紙盆，當音圈通過交變電流時就會產(chǎn)生振動。這種振動引起鄰近空氣質(zhì)點疏密狀態(tài)的變化，又隨即沿著介質(zhì)依次傳向較遠的質(zhì)點，最終到達接收者�？梢钥闯�，在聲波的傳播過程中，空氣質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相平行，所以聲波是縱波。

揚聲器紙盒就相當于上圖中的活塞。

在空氣中，聲音就是振動在空氣中的傳播，我們稱這為聲波。聲波可以在氣體、固體、液體中傳播，但不能在真空中傳播。

　　二、聲波的頻率、波長與速度
　　當聲波通過彈性介質(zhì)傳播時，介質(zhì)質(zhì)點在其平衡位置附近作來回振動。質(zhì)點完成一次完全振動所經(jīng)歷的時間稱為周期，記為 T，單位是秒(s)。質(zhì)點在1秒內(nèi)完成完全振動的次數(shù)稱為頻率，記作 f，單位為赫茲(Hz)，它是周期的倒數(shù)，即：
　　 f=1/T

介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率即聲源振動的頻率。頻率決定了聲音的音調(diào)。高頻聲音是高音調(diào)，低頻聲音是低音調(diào)。人耳能夠聽到的聲波的頻率范圍約在20—20000Hz之間。低于20Hz的聲波稱為次聲波，高于20000Hz的稱為超聲波。次聲波與超聲波都不能使人產(chǎn)生聽感覺。

　　聲波在其傳播途徑上，相鄰兩個同相位質(zhì)點之間的距離稱為波長，記為 λ，單位是米(m)�；蛘哒f，波長是聲波在每一次完全振動周期中所傳播的距離。

　聲波在彈性介質(zhì)中傳播的速度稱為聲速，記為 v，單位是米/秒(m/s)。聲速不是介質(zhì)質(zhì)點振動的速度，而是質(zhì)點振動狀態(tài)的傳播速度。它的大小與質(zhì)點振動的特性無關(guān)，而與介質(zhì)的彈性、密度以及溫度有關(guān)。20度的空氣中聲速為 344米/秒。

頻率、波長、周期和聲速有如下關(guān)系：
c=fλ 或 c=λ/T

聲學測量中常常在某一頻率區(qū)間取特定值進行測量。這個頻率區(qū)間稱之為頻帶（Frequency band）。由上限頻率 f2 和下限頻率 f1 規(guī)定寬帶。f1、f2 間隔可以用頻率比或以2為底的對數(shù)表示，稱為頻程。關(guān)系式：
f2=2^n f1
當n=1時，稱為1/1倍頻程(Octave)，即每個頻帶是上限頻率為下限頻率兩倍的頻帶寬度，即f2=2f1。
當n=1/3時，稱為1/3倍頻程，即每個頻帶是上限頻率為下限頻率1.26倍的頻帶寬度，即f2=1.26 f1。

為了某種特殊的需要，更窄的頻帶有1/10倍頻程、1/12倍頻程、1/15倍頻程、1/30倍頻程等等。

1/1倍頻程對應于音樂上的一個八度。

　　在房屋建筑中，頻率為100-10000Hz的聲音很重要。它們的波長范圍相當于3.4-0．034m。這個波長范圍與建筑內(nèi)部的一些部件尺度相近，故在處理一些建筑聲學問題時，對這一波段的聲波尤其要引起重視。

三、聲功率級、聲強級和聲壓級
聲功率級：
聲功率是指聲源在單位時間內(nèi)向外輻射的聲能，用W表示，單位為瓦(W)或微瓦(uW)。為了計算方便，通常用一個聲功率基準量10-12W作參考量，把聲功率與之相比取常用對數(shù)，乘以10，稱為聲功率級，即
Lw=10lg(W/Wo)
這里Lw為聲功率級(dB)，W為聲功率，Wo為基準聲功率。

聲強級：
單位時間內(nèi)通過垂直于聲傳播方向的面積S (m2)的平均聲能量稱為平均聲能量流或平均聲能通量。單位面積上的平均聲能通量就稱為聲強，記為 I (W/m2)。為了計算方便，通常用一個聲強基準量值10-12W/m2作參考量，把聲強與之相比取常用對數(shù)，乘以20，稱為聲強級，即

Li=10lg(I/Io)
這里Li為聲強級(dB)，I為聲強(W/m2)，Io為基準聲強。

聲壓級(SPL)：
聲波在媒介中傳播時，媒介某點由于受聲波擾動后壓強超過原先靜壓力的值，取均方根后的值稱為聲壓。人耳在最低聞閥到痛閥之間相差100萬倍，為了計量方便，把聲壓基準值20×10^-6 (N/m^2)作參考量，把聲壓與之相比取常用對數(shù)，乘以20，稱為聲壓級，即
Lp=20lo(P/Po)
這里Lp為聲壓級(dB)，P為聲壓(N/m2或Pa)，Po為基準聲壓。
　　
四、聲波的反射、擴散、衍射與干涉
　　 1．聲波的鏡像反射
　　聲波在前進過程中，如果遇到尺寸大于波長的界面，則聲波將被反射。入射角等于反射角。反射的聲能與界面的吸聲系數(shù)有關(guān)。

　　 2．聲波的擴散反射
　　聲波在傳播的過程中，如果遇到一些凸形的界面，就會被分解成許多較小的反射聲波，并且使傳播的立體角擴大，這種現(xiàn)象稱之為擴散反射。適當?shù)穆暡〝U散反射，可以促進聲音分布均勻，并可防止一些聲學缺陷的出現(xiàn)。

從上圖中可看出，要設(shè)計一個好的擴散體必須要考慮它的大小和密度。

3、聲波的衍射
當聲波波長小于等于障礙物的尺寸時，會繞過去，稱為衍射。

4、聲波的干涉
頻率相同的聲波相遇后會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，相位相同的聲波疊加后，幅度倍增，相位相反則抵消。聲波干涉的結(jié)果造成頻率響應特性出現(xiàn)峰和谷的波動，其形狀象“梳子”，因此又稱為梳狀濾波器特性(效應)。直達聲和反射聲來自同一聲源，因而頻率相同，由于經(jīng)過的路徑長短不同，就會產(chǎn)生相位差，從而會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

五、聲波的吸收與透射
當聲波從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)時，聲能的一部分被反射；一部分透過物體繼續(xù)傳播，稱為透射；另一部分由于物體的振動或聲音在物體內(nèi)部傳播時介質(zhì)的磨擦或熱傳導而被損耗，稱為材料的吸收。

透射聲能與入射聲能之比稱為透射系數(shù) τ。

反射聲能與入射聲能之比稱為反射系數(shù) γ。

通常將τ值小的材料用作隔聲材料，將 γ 值小的材料用作吸聲材料。

定義吸聲系數(shù) α=1-γ。
α=0，入射聲能全部被反射；α=1時，入射聲能全部被吸收。敝開的窗戶吸聲系數(shù)為1。
吸聲系數(shù)的大小與頻率相關(guān)，通常我們所說的吸聲系數(shù)是平均吸聲系數(shù)。

第二章室內(nèi)聲場

　　一、自由聲場與室外聲場
傳播聲波的空間稱為聲場，聲場分自由聲場、擴散聲場(混響聲場)和半自由聲場。

所謂自由聲場，即在聲波傳播的空間中無反射面，聲源在該聲場中發(fā)聲，在聲場中的任一點只有直達聲，無反射聲。消聲室就是人造的自由聲場。電聲設(shè)備的都要在消聲室中進行。

　在室外，某點聲源發(fā)出的球面聲波，其波陣面連續(xù)向外擴張，隨著聲波與聲源距離的增加，聲能迅速衰減。當點聲源向沒有反射面的自由空間輻射聲能時，聲波以球面波的形式輻射。這時，任何一點上的聲強遵循與距離平方成反比的定律。如果用聲壓級表示，則距離增加一倍，聲壓級衰減 6dB。

二、室內(nèi)聲場
在室內(nèi)，聲波在封閉空間中的傳播及其特性比在露天場合要復雜得多。這時，聲波將受到封閉空間各個界面，如頂棚、地面、墻壁等的反射、吸收與透射。室內(nèi)聲場因而存在著許多與自由聲場不同的聲學問題。研究室內(nèi)聲場，對室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計和噪聲控制具有重要的意義。

室內(nèi)聲場的特點
(1)聲波在各個界面引起一系列的反射，吸收與透射；
(2)與自由聲場有不同的音質(zhì)；
(3)由于房間的共振可能引起某些頻率的聲音被加強或減弱；
(4)聲能的空間分布發(fā)生了變化。

三、房間共振(駐波)

當聲波在兩面平等的墻之間傳播時，如果墻面之間的距離等于半波長的整數(shù)倍時，就會產(chǎn)生駐波。房間中的低頻駐波也稱為房間模式(Room Mode)。

在一房間中，空氣振動的共振頻率主要由房間的大小來決定。而房間內(nèi)所激發(fā)的共振頻率的分布則決定于房間的比例。共振頻率的計算很復雜，一般都用軟件來計算。小房間（長5m，寬4m，高3m）低頻聲場的仿真：

消除駐波的最佳方法是改變房間的形狀，使墻面不平行，或?qū)Τ勺龀苫⌒巍?/p>

四、混響與回聲
混響是室內(nèi)的聲學現(xiàn)象。聲音由聲源發(fā)出后，在空氣中傳播，傳播過程中在房間的界面上產(chǎn)生反射、吸收、擴散、透射、干涉和衍射等波動作用，形成復雜的室內(nèi)聲場，使人產(chǎn)生混響感。聲源停止發(fā)聲后，室內(nèi)聲場會持續(xù)一段時間。

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。

五、混響時間
當室內(nèi)聲場達到穩(wěn)態(tài)，聲源停止發(fā)聲后，聲壓級降低60dB所需要的時間稱為混響時間，記作T60或RT，單位是秒（s）。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。

Sabine公式，適用于α小于0.2的較活躍的房間：

式中：V為房間容積，單位為m^3(立方米）；S為房間表面積的總和，單位為m^2(平方米）；α為房間表面積的平均吸聲系數(shù)，百分率；Sα的單位為m^2 (平方米）。K為與濕度有關(guān)的常數(shù)，一般取K=0.161s/m。

Eyring公式，適用于α大于0.2的建聲條件良好的房間：

式中4mV為空氣系數(shù) 系數(shù)值，m為空氣吸聲系數(shù)，（它不但與頻率有關(guān)，還與溫度和溫度有關(guān)）。其它與上式一樣。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。

六、臨界距離(Critical Distance)
就是在聲源軸線方向上，直達聲與混響聲聲能相等處的距離。臨界距離在全頻帶內(nèi)是不同的。回聲越強的房間臨界距離越近，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。

當混響聲比直達聲大 12db 以上，聲音清晰度將全部失去。

尋找臨界距離的最簡單方法為：用音響系統(tǒng)播放壓縮的流行音樂，開始用一個音箱(左或右)，在房間里來回地走，很容易就能找到臨界距離。用另一個音箱重復一遍，再同時用兩個音箱重復一遍。與聲學測量相比較，你會對人耳的精確性感到驚訝。
• 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。
• 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。

第三章聽音室的基本要求

聽音室的設(shè)計要遵循一些基本的原則：

一、選擇合適的房間比例、或使墻面不平行、或增加擴散，避免或減輕駐波的影響。
二、混響時間合適，使臨界距離盡可能遠。
三、吸收一次反射聲，減輕一次反射聲對直達聲的干涉。
四、盡量吸聲，如不能使吸聲達到要求，則盡量對反射聲進行擴散，使聲場盡量均勻。

一個簡單的聲學處理實例如下：音箱的擺位與聲學

很多燒友都廢盡心思反復調(diào)整自己音箱的擺位，以期得到最佳的重放效果。有時效果很好，有時沒有效果，有時甚至適得其反。那么，這里面究竟包含著哪些聲學道理呢，今天就想與大家探討探討。

這是聲音二次反射的結(jié)果，在沒有進行有效的聲學治理前，二次反射的影響是不可避免的，調(diào)整音箱的擺位就是讓它的影響盡可能小。一、調(diào)整音箱離側(cè)墻的距離

調(diào)整音箱離側(cè)墻的距離，就是改變一次聲（直達聲）與二次聲之間的時間差（相位差）。于是，在聽音位，一、二次聲相互干涉的情況就會發(fā)生改變，使頻響曲線峰谷位置發(fā)生變化。這主要影響中、高頻，通過調(diào)整，可使左右聲道頻響曲線盡可能接近，結(jié)果是聲像定位更穩(wěn)定、準確。這個距離是以厘米計的。

二、調(diào)整音箱與前墻的距離

對于低音重放，有許多似是而非的觀點，讓人無所適從。我們還是從聲學上來探究一下吧。低音波長很長，無方向性，低頻聲音的干涉就在所難免，有專家就提出了低頻凹陷的問題，使我們茅塞頓開。而真力（Genelec）公司對些作了詳細的分析，并給出了詳細的計算公式，國內(nèi)也有人進行了實測，證明情況確實如此。