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5第5章 室内音质设计


第5章室内音质设计


一、教学目的

了解室内声学现象,掌握混响、回声概念。 掌握混响时间的定义和计算方法。掌握驻波、房 间共振、共振频率的简并现象,掌握避免简并现 象的设计方法。
二、学时安排

总学时:4学时
学时分配:学生预习讲授——1, 课堂讲授、讨论——3

三、教学方法

1、本章开始前学生先预习,并写预习报告 2、第一堂课抽部分学生讲授预习内容, 3、课堂讨论和老师讲授。 4、基础题作业
四、声学基本知识要点 1、室内声场的构成 2、吸声系数、吸声量、平均吸声量、房间常数 概念 3、室内混响过程(声音的衰减过程)

四、声学基本知识要点
1、室内声场的构成 2、吸声系数、吸声量、平均吸声量、房间常 数概念 3、室内混响过程(声音的衰减过程) 4、回声现象和形成回声的条件 5、混响时间的定义和计算,影响混响时间的 因素 6、室内声压级的计算 7、房间驻波、共振及共振频率的简并 8、避免共振频率简并的方法

第1节 围蔽空间里的声学现象 1、室内声场的组成 1)直达声:从声源直接辐射到接受点的声音。 2)反射声:从不同介质反射回来的声,或是除 直射声外的所有声。 3)混响声: 声源停止后——不形成回声的反射 声。

2、围护结构的声学特征量 1) 吸声系数α α=1-r 频率的函数,表征各部

分对各频率的吸声性能
2) 吸声量 Ai Ai=αi·si αi 指定部分对某频率的吸声系数 si 指定部分的面积

3)平均吸声系数 α

?

4)房间常数R
R=sα/(1-α) 或 可定义为R≈A R=A/(1-α) 是声学中所定义的特殊的量,当α较小时,

3、室内声音的增长过程及稳态过程的建立
声源发声
声能增长

声音能量达到稳态

(需1----2秒后)

特点:声能增长的快慢与稳态声能密度环境和房
间容积和室内吸声量的大小有关

1) 体积大,室内声能增长慢,到达平衡所
需时间长 2) 吸声量大,到达稳定状态所需时间短。

其稳定时,声能密度小

二、室内混响

直达声—一次反射声—二次反射声—……..多次
反射声整个过程连续且逐渐衰减——混响过程

三、回声
条件:1、直达声后50毫秒之后到达的反射声 2、有足够的强度,人耳能区别出是两个声 音。
反射声 声源 直达声

第2节 1 、特点

室内声音的衰减与混响时间

声源停止后,室内声场逐渐被房间内表面所吸收而消 失的过程。此过程与听音的质量关系极大 。 停止发声→直达声→一次反射声→二次反射声 →………… 多次反射声整个过程连续且逐渐衰减

——是一个逐渐衰减的混响过程.

衰减的快慢与室内的总吸声量以及房间容积有关。 室内吸声量越大——衰减越快,混响过程越短。

房间容积越大——衰减越慢,混响过程越长。
问题:在房间内布置吸声材料能降低声能密度,它 是降低反射声能密度还是直达声能密度?

2、混响时间
1)定义 声场达到稳 态后声源停止发声,室 内稳态声能密度自原始 值衰减到其百万分之一 所需时间,(或声能密 度衰减60dB所需的时间) 2)公式 a 赛宾公式 T60 = 0.163V/A V 房间体积

A

室内总吸声

讨论:

1 T60短或长表达了房间声能衰减快与慢的重要特
征,是关系室内音质的第一重要指标。

2、T60∝V,T60∝1/A 积与装修。

改变V或A可以控制室内声能衰

减的快慢,表征了实用的控制手段——合理的体

3、α=1,全吸声,无任何反射,此时T60≡0,但A=S,

由公式T60≠0,表明公式在α较大时,不成立,
有局限性 4、实际上当 α<0.2时,才与实际相符。

b 伊林公式 在假定室内声场是充分均匀的情况下,每反射一 次被壁面按 α 均匀吸收一次的条件下,用统计声 学的办法,推出

考虑空气吸收 4m: 空气的吸声系数

讨论:

1、α→1,-ln(1-α) →∞——T60→0
时,T60=0 当α较小时,-ln(1-α)≈α

即全吸声

公式简化成赛宾公式,因此赛宾公式成为伊林公 式当α较小时的特例。 2、T60的意义:T60直接关系到厅堂的听闻效果,是评 价厅堂音质的第一指标。 其影响与分析、设计在音质设计中讲解

3、T60设计值的评价 1) 误差值: 在计算无误,实际材料吸声系数与计算 值基本相符;严格施工的情况下,可能误差10%。 2) 误差原因 A 公式误差

a
b B C

厅堂的实际状况与公式推导条件间的区别。公式
认为,任何时刻室内声场绝对均匀 声源具有指向性 建筑材料的α实际值及频率特性与计算值的误差 施工质量

3)、减小误差的保证措施 a 建筑材料的α值实际测定,按测定值计算

b 施工中进行RT测定,按进度调整,保证最后的
RT及频响

c 模型试验,对设计加以验证
d 计算机模拟。

5、室内声压级的计算 Lp = Lw + 10lg (Q/4 ? r2 + 4/R)

Q——声源的指向性因素,它与声源的方向性 和位置有关 Q=1: 无方向性声源放在房间中心时, Q=2:声源位于某一墙面的中心 时, Q = 4:声源在两个界面交线的中心时, Q = 8:声源在三个界面的交角处。 R——房间常数,与房间的吸声特性有关, R = S ? / (1- ?)

Q/4 ? r2 ——直达声对声压级的贡献 4/R —— 混响声对声压级的贡献

当Q/4 ? r2 = 4/R 时 ,直达声能和混响声能相等时
rc =0.14 (Q/R) 1/2 —— 混响半径或称临界半径 当r 〉 rc 时 做吸声处理效果好;因为吸声处理只能 降低混响声能。

第 3节

波的干涉、驻波、房间共振

1、波的迭加原理 特点: 1、相交后,仍保持 各自原有的特性
2、 在相交处的质点 同时参加各个波 的振动,质点的 振动是各波振动 的合振动,

3、驻波
驻波形成条件: A、两个频率相同、相位相同的声源发出两 列波 B、 在同一直线上不同位置发出并相向传 播,迭加后产生驻波。 特点: (1)、波腹、波节在空间点的位置固定不变。 (2)、相邻波腹和波节之间相距入/4, 相邻波腹或波节之间相距入/2。

4、房间的共振和共振频率 房间共振——房间的声波干涉而产生驻波的现 象。 (1)、轴向共振 f = nc/2L (2)、斜向共振

3类驻波:● 轴向波 1个n≠0。 ● 切向波 2个 n≠0。 ● 斜向波 3个 n≠0。
nx,ny,nz为不同时为0的正整数。它们的每一 个组合对应一个驻波频率。

(3)共振频率的简并——共振频率的重叠

现象。
简并将使那些与共振频率相当的声音大大加 强,导致室内原有的声音失真,并使声场不 均匀,应尽量避免。

7x7x7
20 30 40 50 60 70 Hz

6x7x8 20 6x6x9 20 30 40 50 60 70 Hz 30 40 50 60 70 Hz

简并将使那些与共振频率相当的声音大 大加强,导致室内原有的声音失真,产 生所谓的声染色现象,并使声场不均匀, 应尽量避免。

避免方法:1、使房间三方尺寸不成简单整数比。 2、表面作成不规则形状,作扩散处

理,墙面不平行。
3、吸声材料不规则布置。

4、如?>0.3,共振现象不明显.
作业:论述房间共振对音质的影响,说明避免房

间声音失真 (声染色现象)的方法。

注意:在会议室、家庭影院的设计 中应特别注意避免声染色现象。

练习题
1、下面四个房间,哪个房间的音质最好(长x宽x高)

(单位均为m):
A 6 x 5 x 3 .6 C 5 x 5 x 3 .6 的响度最小? B 6 x 3.6 x 3.6 D 3.6 x 3.6 x 3.6

2、声压级相同的几个声音,哪个声音人耳的主观听闻

A 100Hz B 500Hz C 1000Hz 3、下面哪种声音绕射现象最严重? A 100Hz B 500Hz C 1000Hz

D 2000Hz
D 2000Hz

4、声压级为0dB的两个声音,叠加以后的声压级 为: A 没有声音 B 0dB C 3dB D 6dB 5、有一种扬声器发出声音的声压级为60dB,如果 将两只扬声器放在一起同时发声,这时的声压级 为: A 60dB B 63dB C 66dB D 120dB 6、人耳对下列哪种声音不敏感 A 125Hz B 1500Hz C 1000Hz D 2000Hz 7、 形成回声的必要条件是什么?由这些条件你可 以想到哪些避免回声的设计方法?

八、如果设计一个厅堂,想使该厅堂的混响时间

控制的比较短,可以采取哪些设计措施?
九、如果一机器在房间发出很大噪音,其工作人

员就在机器旁工作,那么在房间的周墙和屋
顶布置吸声材料,对于减小机器噪音对工作 人员的危害作用大吗?为什么? 十、要增大声源的指向性?可采取什么有效措 施?

第3 节 厅 堂 音 质 设 计
一、教学目的 掌握音质评价标准,掌握厅堂音质体型设 计原则和方法,掌握混响时间设计方法。了解 不同类型各类厅堂的音质设计特点。 二、学时安排 总学时:6学时 学时分配:学生预习讲授——1, 课堂讲授、讨论——3, 演示实验——1。

三、教学方法 1、先预习并写出预习报告, 2、课堂提问、讨论和老师讲授。 3、基础题作业 4、混响时间测试演示实验

四、知识要点 1、厅堂音质的主客观评价方法和指标 2、音质设计的主要内容

3、厅堂音质的体形设计 (1)、容积的确定 (2)、争取和控制前次反射声 (3)、避免音质缺陷 4、混响时间设计 (1)、最佳混响时间的确定 (2)、混响时间频率特性的确定 5、音乐厅、会议厅、体育馆等音质设计特 点

音质评价标准及音质设计内容

一、主观评价标准 1、合适的响度: 听闻最基本的要求,有足够

的响度,听众才能接受、识别信息,才能有
听的好与坏的问题。 要求:语言类60~70方,音乐类 80方左右。

2、低的噪声干扰:厅堂虽有足够的响度,但有
较高的噪声将使声信息识别困难。

3、无声学缺陷: 出现声学缺陷的声学建筑是失败的设 计,完全无法使用。 1)回声: 大小和时差都大到足以和直达声区别 开的反射声或由其它原因返回的声。 2)颤动回声: 一连串快速、连续可察觉的回声。回 声迫使听者注意力高度集中,但信息 仍很难识别,使人疲劳,感到厌烦, 甚至无法忍受,故回声使厅堂中最严 重的缺陷。

3)声聚焦:

部分区域响度过大,另一部分区域响度过
低,听闻吃力或根本听不清的现象。 4)声染色: 由房间共振所赋予的一种特征型音色。 4、高的清晰度 它可保证语言与音乐信息接受准确,分辨 其细节可识别,能全面的接受声信号。 1)评价 语言清晰度 音节清晰度

5、好的音色 这主要是对音乐的要求 1) 丰满度 指声音饱满、圆润,温暖、浑厚 有弹性,有 余音悠扬之感,反之干涩单薄。 2) 亲切感(力度) 声音透亮,坚实有力,反之声音较散,发飘、无 力。取决于早期反射声的延迟时间,即20ms左右 的早期反射声的有无及多少

3)扩散感(环绕感) 一种被音乐所包围的感觉,沉浸在音乐中, 空间感好、方位感好,有临场感,反之场所 印象差。取决于房间的大小,扩散设计的使 用。 4)清晰度 对音色细微变化的感觉,对乐音层次的感 觉。

二、客观技术指标 1、混响时间及频率特性 A 混响时间的长短 B 频率特性是否平直 ——是衡量厅堂音质的最基本、重要的参数, 也是设计阶段准确控制的指标。 作用:直接对清晰度、丰满度、明亮度的等影响, 混响时间适当,可保证各声部间平衡。 评价:125~4KHz6个倍频带。以500Hz为代表,大量 的经主观评价认定为音质良好的观众厅,进 行RT测定所得到的统计平均值作为标准。

2、声脉冲响应分析(反射声的时间分布) 早期反射声:在房间内,可与直达声共同产 生所需音质效果的各反射声; (50ms内所到达的反射声。) 1)对响度的影响 50ms以内的反射声起到加强直达声的作用, 其数量越多,响度增大越明显 2)对清晰度的影响 声学比越高越清晰。

3)对丰满度的影响 缺乏早期反射声,使直达声与混响声脱节, 感 觉声断续,飘浮, 声音干涩。 使低频 RT 较中频 RT 长,保证 30ms 内早期反射 声 的数量,可增加声音的丰满度和温暖感。 4)对亲切感的影响 20ms 左右的早期反射声的多少决定了亲切感

讨论:为什么混响时间相同的大厅音质可能不同? 3、方向性扩散(反射声的空间分布) 厅堂中指定位置各方向反射声的强度与数 量表达: 刺猬图 4、语言传输指数RASTI 用模拟人语言的调制信号,测试房间中信 号 经传输后,其包络的变化来表达房间 对音质的改变。 5、 背景噪声 A声级或是NR数

三、音质设计内容 音质设计必须是声学工程师、建筑师、业主密切合 作、相互协调。一个音质良好的大厅一定是集体合 作的结晶。 主要包括以下方面: 1)选址:建筑总图设计和各房间的合理配置,目的 是防止外界噪声和附属房间对主要听音房 间的噪声干扰。

2)确定容积:在满足使用要求的前提下,确定经济
合理的房间容积和每座容积。

3)通过体型设计,充分利用有效声能,使反射 声在时间和空间上合理分布,并防止声学缺 陷。 4)根据使用要求,确定合适的混响时间及频率 特性,计算大厅吸声量,选择吸声材料与结 构。 5)根据房间情况及声源声功率大小计算室内声 压级大小,并决定是否采用电声系统。 6)确定室内允许噪声标准,计算室内背景声压 级,确定采用哪些噪声控制措施。

7)在大厅主体结构完工之后,室内声学装修前, 进行声学测试,如有问题进行设计调整。 8)工程完成后进行音质测量和评价。

9)对于重要的厅堂,必要时应用计算机仿真及缩
尺模型技术配合进行音质设计。 10)对有扩声系统的厅堂,尚必须配合电声工程师 进行扩声设计。

大厅容积的确定 1、确定容积需考虑的因素 1)响度: 体积大,声源不变的情况下,声能密度D 小,则Lp较小 以电声为主(保证响度)——体积不受限制 以自然声为主(音乐厅) ——体积受限制

2)混响时间 RT与V成正比,与A成反比。厅堂中,观众 吸声量占所需总吸声量的1/2~2/3,故观众吸 声量起很大的作用。 控制好厅堂的容积V与观众人数的比例,就 在相当程度上保证或控制了RT

2、每座容积

对已判定为音质良好的厅堂大量统计分 析所得到的结果。 音乐厅8—10m2/ 每座, 歌剧院6—8 m2/每座, 多用途剧场、礼堂5—6m2/每座, 讲演厅、大教室4m2/每座(推荐值)。

3、 确定V方法 功能——选每座容积

容量——观众数量 根据功能确定选每座容积

考虑其它要求

体积

根据观众数量确定厅堂面积 由上两项确定层高。

体型设计
一 体型设计原则 1、 充分利用直达声——保 证直达声可达到每个听众 1)影响因素: a 长距离的自然衰减- 6dB/ 倍距离 b 遮挡和掠射吸收 (30m有10~20dB的衰减) c 偏离辐射主轴角度增大 时,高频声明显减弱

2)措施: a 控制大厅尺寸比例 避免过长。使观众席位尽可能靠近声源, 一般剧场 长度 <30m,最大<33m,

音乐厅<45m
设楼座; 短而宽布置:夹角<1200,极限<1400。 b 避免被遮挡和掠射吸收; 地面应有一定的坡度。

按视线要求进行设计即可。
错位排列

2 争取和控制好早期反射声(难点)
A 早期反射声的形成 1)容易形成部位 天花 侧墙 2)分析方式 将时差转换声程差进行判断 50ms——17m 30ms——10.2m 20ms——6.8m

3)一般原则 按厅堂首排座位与声源的距离——10m

天花高度<13m 厅堂宽度<26m
(按声程差小于17m计算) 超过此尺度,应加以特殊处理

S’

A1
R1 D S R2

检验回声:

R1+R2-D<17m
S’A1=SA1

?已知平剖面图,做声线图。 根据声线图分析是否存在回声,是否分布均匀,是否存在 声聚焦和声影。

B 天花形状——剖面设计 1)前部天花(台口附近) 天花可向厅内绝大多数地方提供一次反射, 故其高度与倾角十分重要 原则: 一次反射均匀的分布在大部分观众席。 2)后部天花 原则:向观众席及侧墙扩散声能。 形式:如折板式、锯齿式、扩散体式

声源位置: 大幕线后2~3m,高1.5M

C 侧墙处理——平面形式 1)基本平面分类 矩形、扇形、马蹄形 演变: 钟形、六角形 2)平面形状的选择。 原则: 前次反射声的多少,声场分布均匀,特 殊形状应作处理。 a 一般以钟形、矩形平面较多 b 扇形平面,墙面与中轴夹角<8~100。 c 弧形墙面须做扩散或吸声处理。

一个简单几何形平面,若不做特殊 处理,视线最好的中前区将会缺乏 一次侧向反射声。

3)前部侧墙 a 尽可能减小耳光孔的面积——减小声能消耗 b 耳光楼悬挑,高出舞台面2m以上,其侧面、底板 下部墙面按一次反射面设计。 c 设跌落式包厢或挑台 挑台栏板,底板按一次反射面设计 d 侧墙内设反射板 在透气的侧墙装修内设置(悬挂)高反射的板 (混凝土板、 厚木板) e 侧墙内倾扩大一次反射面,但其倾角<100。

3、 扩散设计 三种方式达到声扩散 的目的 1)将厅堂内表面处 理成不规则形状 和设扩散体。 2)体型设计中采用 不规则平、剖面 处理。 3) 吸声材料交叉布 置

扩散体尺寸

4、消除声缺陷 1)回声 a 出现部位: 舞台、乐池、观众席前部 b 产生部位: 台口前天花(过高)一次反射 楼座栏板 二次反射 后墙 二次反射 c 危害: 干扰听闻、破坏音质

d 措施:天花高度<13m或吸声扩散
倾角或吸声处理

整楼座栏板

后墙处理: 吸声 吸声系数>0.6的强吸声
倾角.调整向后部提供一次反射 扩散,不形成定向反射

2)颤动回声 a 出现部位: 平行墙面间 b 产生条件: (a) 声源与接收点同在平行墙面间 (b) 墙面强反射 c 危害 干扰听闻,破坏音质 d 措施 (a) 相对墙面夹角>50。 (b) 墙面扩散,吸声处理

问题: 混响时间长容易出现声缺陷?还是 混响时间短容易出现声缺陷?

3)声聚焦 a 出现部位:弧形墙面、壳形天花前的空间某 位置。 b 产生条件:曲率半径小,强反射 c 危害: 形成第二声源,严重干扰听闻 室内声场极不均匀 d 措施: 避免使用弧形墙面 厅堂高度≧2R 弧形墙面上扩散吸声处理

4)声影 a 出现部位:楼座挑台下方 b 产生条件:挑台过深 C 危害: 堂座后区反射声被遮挡,响度不够, 音质较差。 d 措施: 取合适的楼座挑台高度与深度比 厅内充分扩散声能 5)声学缺陷出现的一般规律 a 建筑形体(平剖面)不当 b 室内特殊部位设计不当 c 短混响时间

剧场: D/H≤2

音乐厅: D/H≤1

混响设计
一 混响时间设计标准

1、 最佳混响时间
1)定义:根据大量的、经主观评价认为是音质良

好 的 观 众 厅 进 行 RT 测 定 , 所 得 到 的
500Hz

的RT的统计值。
2)特点:不同使用功能,不同体积,最佳RT不同

3)确定方法: 功能+容积===最佳RT(500Hz)
4 )实际偏差: 允许偏差 ±0.1sec 或控制在

讨论:从下图中总结出何种规律?

2、频率特性曲线 1)定义: RT相应与频率的曲线

2)范围及特征
a 范围 一般要求 高要求 b 特性: 语言用:平直(各个频带的RT相同为好) 125~4KHz 六个倍频带 80~8KHZ 八个倍频带

音乐用:低频稍高

不平度允许值,以500HzRT为标准 低频:125、250可略大到1.2~1.3倍

高频:2K、4K 可略小到0.9倍。
理由:大厅堂低频混响控制较困难, 各频率均衡的吸声材料较难选择, 人耳对低频声不敏感。 容许低频略大可提高丰满度

3)实际状况
厅堂RT不均匀较多,特别是一次完工的

厅堂。

二、RT设计步骤 1、 计算厅堂准确的体积V、表面积S——平、剖

面图
2、 确定最佳RT及频率特性——功能+容积 3、 计算各频带f所需的总吸声量A总 4、 确定必须的固定吸声量Af固 5、 计算所需补充的吸声量⊿Af

6、 吸声材料的选择——可布置位置、构造可行
艺术效果,使 ⊿Af=S1α1+ S2α2+ Snαn 7、 整理RT设计方案,验算RT

第5节 各类厅堂的音质设计 一、音乐厅音质设计特点

(一)、音乐厅的设计原则
1、使大厅具有教长的混响时间以保证有足够 丰满度。 2、为听众和乐师提供足够强的侧向早期和晚期 反射声。

3、使听众席有均匀的声强分布和良好的声扩
散,避免出现音质缺陷。

4、演奏台应有良好的声扩散,并为乐师提 供相互听闻的条件。

5、音乐厅一般不作吸声处理。

二、会议厅 设计特点: 1、混响时间根据容积大小确定,0.5—1.8S。 尽量控制短混响。对较大型会议厅作强吸声

处理。
2、作强吸声处理的会议厅体型设计比 较自

由。没有特别的要求。
3、如果天花或其他部位不做吸声处理,则应 按声学要求设计,做声线图使反射声音均

匀分布在观众席上,并注意避免回声。

三、教室、讲堂: 要求: 保证语言清晰度。保证室内有足够的声 级。 技术指标: 每座容积应不超过(3—3.5)m3。 小型教室混响时间控制在0.6秒以内, 500人的 教室不超过1.0秒。 设计要点: 适当设置反射面。 在后墙和天花上作适当的吸声处理。 使隔墙、门、窗有足够的隔声量。 走廊、门厅、楼梯间等作吸声处理。

预习和复习题

1、体育馆的体型设计特点
2、根据体型特点分析体育馆可能存在的

音质问题。
3、音质评价指标 4、音质设计步骤 5、厅堂容积确定方法 6、充分利用直达声的方法

7、争取和控制前次反射声的方法

8、音质缺陷的种类,避免音质缺陷的方法
9、如何通过厅堂平面、剖面的声线图判断 厅堂音质的好坏。 10、如何设计混响时间的频率特性 11、音乐厅和会议厅的音质设计有何不 同?


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