廳堂混響時(shí)間的新型測(cè)量方法簡(jiǎn)介

一、前言

　　混響時(shí)間反映了室內(nèi)聲能的衰變快慢，它是由100多年前美國(guó)物理學(xué)家賽賓提出的，指的是當(dāng)聲源在房間內(nèi)停止發(fā)聲后，殘余聲能在房間內(nèi)往復(fù)反射，其密度衰變60dB所需的時(shí)間，如圖1所示。我們可以通過(guò)賽賓公式對(duì)混響時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，由此可見(jiàn)混響時(shí)間和建筑物的體積V，房間吸聲材料的平均吸聲系數(shù)，以及房間的表面積S有關(guān)。而在建筑建造完成之后通常需要對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，作為房間的實(shí)際混響時(shí)間來(lái)衡量。目前大部分混響時(shí)間測(cè)量依然遵照“GB-J 76-1984 廳堂混響時(shí)間測(cè)量規(guī)范”來(lái)進(jìn)行的，隨著科技的發(fā)展目前國(guó)際上有了新的測(cè)量混響時(shí)間的方法，本文對(duì)該混響時(shí)間測(cè)量原理、測(cè)量案例等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，以起到拋磚引玉的作用。

圖1 混響時(shí)間

　　二、測(cè)量原理

　　目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中常用的混響時(shí)間測(cè)量方法是噪聲截?cái)喾?，由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境信噪比的約束，在實(shí)際的工程測(cè)量中噪聲截?cái)喾?，通常選擇衰減曲線-5dB到-35dB所對(duì)應(yīng)的時(shí)間來(lái)計(jì)算房間混響時(shí)間的用T₃₀表示。這種測(cè)量方法要求信號(hào)源的聲壓級(jí)要高于噪聲45dB以上，對(duì)實(shí)際測(cè)量環(huán)境要求較高。而脈沖響應(yīng)積分法是由施羅德最先提出來(lái)的，其公式表達(dá)如下：

　　其中S（t）為穩(wěn)態(tài)噪聲的聲壓衰減函數(shù)，尖括號(hào)表示群體平均r(x)為被測(cè)房間的脈沖聲響應(yīng)N表示譜密度。它表示的是聲壓衰減曲線的總體平均與脈沖響應(yīng)平方在時(shí)間上的積分相等，即衰減開(kāi)始后t時(shí)刻的響應(yīng)總體平均與脈沖響應(yīng)的平方從t到的積分相等，也就是說(shuō)我們可以利用脈沖響應(yīng)平方的積分來(lái)獲得一條相當(dāng)于很多衰減曲線平均的聲壓級(jí)衰減曲線，通過(guò)這條曲線可以較為方便的計(jì)算出聲壓衰減曲線從而獲得混響時(shí)間。

　　由于噪聲截?cái)喾y(cè)量混響時(shí)間的種種限制，目前通?；祉憰r(shí)間的測(cè)量方法為脈沖響應(yīng)積分法。獲得脈沖響應(yīng)的方法很多，例如拍手掌、扎氣球、電火花等，為了獲得更好的信噪比，通常我們會(huì)通過(guò)發(fā)出白噪聲或掃頻信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理中的反卷積方法來(lái)獲得，信噪比高的脈沖響應(yīng)。即將播放的聲音信號(hào)作為聲學(xué)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，記為x_（n），通過(guò)房間內(nèi)測(cè)試點(diǎn)話筒接收到的聲音信號(hào)作為房間系統(tǒng)的輸出，記為y_（n），它們與房間脈沖響應(yīng)（h_（n））有如下關(guān)系：

y_（n）= x_（n）* h_（n）

　　在頻域則有：

H(k)=Y(k)/X(k)

　　根據(jù)傅里葉反變換即可得到房間脈沖響應(yīng)：h_（n）=IFFT[H(k)],即通過(guò)信號(hào)源發(fā)聲體激勵(lì)房間，并通過(guò)測(cè)量點(diǎn)記錄到信號(hào)，即可計(jì)算該房間的脈沖響應(yīng)。

　　三、測(cè)量步驟

　　通過(guò)上面我們對(duì)混響時(shí)間的了解，利用脈沖響應(yīng)積分法進(jìn)行測(cè)量，其系統(tǒng)可分為聲源、測(cè)試話筒、測(cè)量軟件三部分，如圖2所示，為脈沖響應(yīng)積分法測(cè)量混響時(shí)間的測(cè)試系統(tǒng)圖。聲音信號(hào)通過(guò)電腦經(jīng)聲卡由正十二面體點(diǎn)聲源揚(yáng)聲器發(fā)出，通過(guò)對(duì)房間的激勵(lì)在測(cè)量點(diǎn)由測(cè)量話筒記錄到電腦，經(jīng)專業(yè)測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，最終獲得混響時(shí)間。為了更好地激勵(lì)房間的聲學(xué)特性，通常測(cè)量時(shí)對(duì)聲源及話筒有一定的要求，其中揚(yáng)聲器的指向性應(yīng)盡可能接近全指向，且可以提供足夠的聲壓級(jí)來(lái)滿足聲壓衰減的動(dòng)態(tài)要求，同時(shí)對(duì)于測(cè)量話筒來(lái)說(shuō)振膜越小越好，最大直徑不能超過(guò)26mm。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖3 掃頻信號(hào)

　　圖3為掃頻信號(hào)，作為房間激勵(lì)的噪聲信號(hào)，頻率為20Hz-20KHz時(shí)長(zhǎng)為10s，通過(guò)該信號(hào)與自身的卷積可以獲得脈沖信號(hào)，如圖4所示，從圖中可以看出經(jīng)計(jì)算得出的脈沖響應(yīng)上升沿陡峭，比直接利用電火花或者扎氣球等方法獲得的脈沖響應(yīng)頻帶寬且信噪比高。

圖4 卷積后的脈沖信號(hào)

圖5 測(cè)量話筒記錄掃頻信號(hào)

　　圖5為話筒在測(cè)試點(diǎn)實(shí)際記錄的掃頻信號(hào)波形，我們從中可以看出不同頻率在該點(diǎn)的振幅不同，并通過(guò)與原始掃頻信號(hào)的反卷積獲得沖擊響應(yīng)波形，如圖6所示，前兩個(gè)小波峰是由于算法問(wèn)題導(dǎo)致的不影響我們對(duì)房間沖擊響應(yīng)做出判斷，只要關(guān)注最大的那個(gè)脈沖就是房間的脈沖響應(yīng)。通過(guò)計(jì)算可以獲得房間的聲壓衰減平均曲線如圖7所示，聲壓從0.58s的位置開(kāi)始衰減，最終獲得的混響時(shí)間如表1所示，不但可以獲得混響時(shí)間T₂₀、T₃₀的參數(shù)，同時(shí)還可以計(jì)算得到C50、C80、EDT等眾多聲學(xué)技術(shù)參數(shù)，如圖8所示為房間混響時(shí)間，其混響時(shí)間從125Hz-4000Hz基本在0.35s附近，且房間的混響時(shí)間較為平直。

圖6 房間脈沖響應(yīng)

圖7 聲壓衰減曲線

表1 房間聲學(xué)參數(shù)

圖8 房間混響時(shí)間曲線

　　四、測(cè)量實(shí)例分析

　　為了充分反應(yīng)廳堂混響時(shí)間，通常話筒測(cè)量點(diǎn)需要擁有一定的要求，即測(cè)量話筒距反射面的距離應(yīng)在測(cè)量頻率最小半波長(zhǎng)以外，且為了減少聲源直達(dá)聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量點(diǎn)不能太靠近聲源，其最小距離，其中V為房間體積，C為聲速，T是預(yù)估混響時(shí)間。

　　對(duì)于話筒測(cè)量點(diǎn)數(shù)量方面，通常需要尋找房間里具有代表性的觀眾位置，特別是靠近墻面座位或者包廂的下面，話筒高度距地面通常在1.2米左右，此高度與大部分觀眾坐下時(shí)耳朵距地面高度相同。對(duì)于工程噪聲為目的的混響時(shí)間測(cè)量，話筒測(cè)量點(diǎn)可以在觀眾區(qū)域中心附近布置相對(duì)較少的三到四個(gè)點(diǎn)即可。若是對(duì)于廳堂混響設(shè)計(jì)為目的的測(cè)量，通常要根據(jù)房間聲學(xué)環(huán)境的復(fù)雜程度，選擇一定數(shù)量具有代表性的測(cè)量點(diǎn)。同時(shí)對(duì)于聲源的發(fā)聲位置來(lái)說(shuō)也要根據(jù)廳堂日常使用的情況來(lái)進(jìn)行變更，通常放置在日常經(jīng)常發(fā)聲的位置，類似舞臺(tái)、樂(lè)池等位置，針對(duì)不同的發(fā)聲位置和使用目的進(jìn)行靈活布點(diǎn)。如圖9所示，首先測(cè)量了用戶反應(yīng)較為不理想的區(qū)域，例如錄音棚內(nèi)測(cè)試點(diǎn)1-5，同時(shí)為了反映整個(gè)錄音棚的平均聲學(xué)特征，在測(cè)量時(shí)另外增加了測(cè)試點(diǎn)6-7點(diǎn)。其次對(duì)控制室錄音師位置以及房間中心位置進(jìn)行測(cè)量，以獲得控制室的混響時(shí)間頻域特征。

圖9 話筒測(cè)試點(diǎn)分布圖

　　通過(guò)測(cè)量錄音棚的混響時(shí)間曲線如圖10所示，從圖中可以看出房間在2000Hz-4000Hz之間混響時(shí)間較短，分別為0.3S和0.18S，同時(shí)在125Hz及250Hz的混響時(shí)間也相對(duì)較短，分別為0.3S及0.4S，在中頻500Hz、1000Hz有著相對(duì)較多的混響時(shí)間。從整體上看該房間的混響時(shí)間特性存在一定的問(wèn)題主要表現(xiàn)在高頻吸聲過(guò)多，中頻混響時(shí)間過(guò)于突出，勢(shì)必影響到主觀的聽(tīng)覺(jué)感受，其本底噪聲在關(guān)燈及關(guān)門的情況下測(cè)得為35.5dBA。

圖10錄音棚平均混響時(shí)間曲線

　　圖11為錄音棚內(nèi)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的混響時(shí)間曲線，從整體來(lái)看7條曲線整體趨勢(shì)基本相同的，特別是在2000Hz-4000Hz之間有著非常接近的曲線擬合。其中測(cè)試點(diǎn)7在500Hz偏離較大，主要原因可能在于測(cè)試點(diǎn)門及譜架等反射面形成的低頻駐波所引起的共振。

圖11錄音棚混響時(shí)間曲線

　　圖12為控制室混響時(shí)間曲線測(cè)量結(jié)果，相對(duì)于錄音棚來(lái)說(shuō)較為平直，主要混響時(shí)間在0.35S-0.4S之間，只有250Hz混響時(shí)間低于0.3s，可能是由于房間內(nèi)家具共振吸聲或者是房間低頻吸聲控制產(chǎn)生的問(wèn)題。

圖12 控制室平均混響時(shí)間曲線

圖13錄音棚控制室混響時(shí)間曲線

　　圖13為控制室兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的混響時(shí)間曲線，從圖中可以看出調(diào)音臺(tái)錄音師位置的混響時(shí)間曲線較為平直，主要集中在0.3-0.35s附近，只是在125Hz附近有0.42s的混響時(shí)間，可能是隔聲窗的反射面共振所致。而在控制室中心位置高頻混響時(shí)間較高，中低頻部分與測(cè)試點(diǎn)1類似，而高頻部分相對(duì)較高，有可能為房間內(nèi)家具及柜子玻璃的反射面所致，原因需要進(jìn)一步排除才能確定。

　　從測(cè)量結(jié)果的整體來(lái)看控制室聲學(xué)環(huán)境較錄音棚內(nèi)部較好，特別是測(cè)試點(diǎn)1的位置。而錄音棚內(nèi)部聲學(xué)存在問(wèn)題較多主要集中在混響時(shí)間的頻率特性不夠平直，為在房間內(nèi)聲音的拾取帶來(lái)了較大的聲音染色機(jī)會(huì)。同時(shí)房間各頻段的混響時(shí)間大部分在0.5s以下偏干，特別是在2KHZ-4KHZ之間平均混響時(shí)間僅有0.25s左右，是500Hz左右混響時(shí)間的一半，其混響時(shí)間波動(dòng)較大。

圖14 不同廳堂的最佳混響時(shí)間

　　房間的混響時(shí)間不但和房間的容積有關(guān)，同時(shí)也與房間的使用功能有著密不可分的關(guān)系。如圖14所示，為不同類型的廳堂500Hz推薦最佳混響時(shí)間，橫坐標(biāo)為房間的容積，縱坐標(biāo)為500Hz混響時(shí)間，從圖可以看出當(dāng)房間體積越大時(shí)，推薦混響時(shí)間是不斷提高的。對(duì)于語(yǔ)言類播音室、會(huì)議室來(lái)說(shuō)為了提高其語(yǔ)言清晰度，通常需要較短的混響時(shí)間。對(duì)于音樂(lè)用途的建筑，例如音樂(lè)廳、歌劇院、音樂(lè)播音室等來(lái)說(shuō)，在相同房間容積的條件下要有更大的混響時(shí)間。對(duì)于本次測(cè)量房間其容積在140立方左右，故對(duì)于語(yǔ)言類播音室來(lái)講0.4S左右的混響時(shí)間是較為合適的。故通過(guò)對(duì)該錄音棚房間的測(cè)量，可以看出混響時(shí)間曲線的不平直是其最大的問(wèn)題，我們可以通過(guò)在房間墻面及天花等處增加二次余數(shù)（QRD）擴(kuò)散體或其它擴(kuò)散板的措施來(lái)減少高頻吸收，同時(shí)提高其聲場(chǎng)的均勻分布。同時(shí)在房間的四個(gè)角落放置低頻吸聲結(jié)構(gòu)體（低頻陷阱角位擴(kuò)散體），從而控制中低頻的混響時(shí)間，降低室內(nèi)低頻共振對(duì)聲學(xué)環(huán)境的破壞。

　　五、小結(jié)

　　通過(guò)以上對(duì)新型混響時(shí)間測(cè)量方法的介紹，可以看出它的最大優(yōu)越性在于測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)便性以及較低的測(cè)量環(huán)境要求。較為簡(jiǎn)便的混響時(shí)間測(cè)量方法對(duì)于工程實(shí)踐來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一件好事，同時(shí)通過(guò)該方法我們不但可以獲得混響時(shí)間數(shù)據(jù)，同時(shí)也獲得了廳堂清晰度C₅₀、C₈₀、EDT等有效的反應(yīng)廳堂音質(zhì)的客觀參數(shù)，為廳堂聲學(xué)環(huán)境提供了更加豐富的數(shù)據(jù)依據(jù)，為將來(lái)更好改善廳堂音質(zhì)做出貢獻(xiàn)。

來(lái)源：科訊廣電網(wǎng)