科普｜建築聲學基礎知識（一）：淺談室內聲學設計的重要性

室內聲學設計是建築聲學中非常重要的組成部分，同時也是私人定製影院行業從業人員的必修科目。室內聲學設計主要針對家庭影院、視聽室、錄音室、演播室等需要具有較高聲學設計的空間，由於室內空間的特殊原因，聲音在其中的傳播規律與劇院等大型專業建築空間有著顯著的區別，容易引起駐波、振顫回聲、聲染色等聲學缺陷。

值此國慶佳節，「影音新生活」特別編輯此文，針對室內空間的聲學原理與設計的重要性向大家進行簡要描述，希望能為大家在今後的影院設計與具體實踐中提供一些有益的幫助。

一、聲音的傳播

聲音是人耳通過聽覺神經對空氣振動的主觀感受。聲音產生於物體的振動，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。聲源發聲後，必須經過一定的介質才能向外傳播。這種介質可以是氣體，也可以是液體和固體。在受到聲源振動的干擾後，介質的分子也隨之發生振動，從而使能量向外傳播。但必須指出，介質的分子只是在其未被擾動前的平衡位置附近作來回振動，並沒有隨聲波一起向外移動。介質分子的振動傳到人耳時，將引起人耳耳膜的振動，最終通過聽覺神經而產生聲音的感覺。

二、自由聲場與室外聲場

傳播聲波的空間稱為聲場，聲場又分為自由聲場、擴散聲場(混響聲場)和半自由聲場。所謂自由聲場，即聲源在均勻、各向同性的媒質中，邊界的影響可以不計的聲場稱為自由聲場。在自由聲場中，聲波按聲源的輻射特性向各個方向不受阻礙和干擾地傳播。

但是，理想的自由聲場很難獲得，人們只能獲得滿足一定測量誤差要求的近似的自由聲場。例如地面反射聲和雜訊可忽略的高空，當氣象條件適宜時，便可以認為是自由聲場。實際上風、雲、空氣密度變化等都會影響聲波的傳播。又如在經過專門設計的房間中，在一定的頻率範圍內，房間的邊界能有效地吸收所有入射的聲波，這樣的房間內的聲音主要是直達聲，也可認為是自由聲場。這樣的房間稱消聲室，多用於一些設備的測試工作。

在室外，某點聲源發出的球面聲波，其波陣面連續向外擴張，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。

三、室內聲場

在室內，聲波在封閉空間中的傳播及其特性比在露天場合要複雜得多。這時，聲波將受到封閉空間各個界面，如頂棚、地面、牆壁等的反射、吸收與透射。室內聲場因而存在著許多與自由聲場不同的聲學問題，也是在私人定製家庭影院、視聽室等案例的設計中的關鍵因素。因此，研究室內聲場，對室內音質設計和雜訊控制具有重要的意義。

（一）室內聲的組成

直達聲：是室內任一點直接接收到聲源發出的聲音。是接收聲音的主體，不受空間界面影響，其聲強基本與聽點到聲源間距離的平方成反比衰減。

早期反射聲：指延遲直達聲50ms以內到達聽聲點的反射聲，對聲音起到增強作用；在大空間內，因反射距離遠，易形成回聲，產生空間感。

混響聲：聲波經室內界面的多次反射，遲於早期反射聲到達聽點的聲音，直至聲源停止發聲，但由於多次反射，聽點仍能聽到，故又稱餘聲，影響聲音的清晰度。

室內聲音的傳播

（二）室內空間的聲場受到室內各個界面的影響，與自由聲場相比，其主要特點有：

1、聽者接收到的聲音，不僅包括直達聲，還有陸續到達的來自個反射面的發射聲，它們有的經過一次發射，有的經過多次反射；

2、聲波在各界面除了發射外，還有散射、投射和吸收等聲學現象發生；

3、聲能的空間分布發生了變化；

4、由於房間的共振可能引起某些頻率的聲音被加強或減弱；

5、與自由聲場有不同的音質。

四、室內聲音的變化過程：增長、穩定和衰減

（一）室內聲音的增長

但聲源在室內輻射聲能時，聲波即同時在空間開始傳播，當入射到某一界面，就有部分聲能被吸收，其餘部分則被發射。反射的聲能繼續傳播，將再次乃至多次被吸收和發射。這樣，在空間就形成了一定的聲能密度，如果聲能連續發生，隨著聲源不斷地供給能量，室內聲能密度隨時間而增加，這就是室內聲音的增長過程。

（二）穩態聲能密度

當一定時間內，室內表面吸收的聲能與聲源供給的能量相等，室內聲能密度就不再增加，而處於穩定狀態。需要指出，實際上，大多數情況下，大約經過1~2s，聲能密度即接近最大值（穩態）。對於一個室內吸聲量大、容積也大的房間，接近穩態前的某一時刻的聲能密度，比一個吸聲量、容積均小的房間要弱。所以，在房間聲學設計時，需恰當地確定容積和室內吸聲量。

（三）室內聲音的衰變

但聲能密度達到穩態時，若聲源突然停止發聲，室內接受點上的聲音並不會立即消失，而是有一個逐漸衰變的過程。首先是直達聲消失，然後是一次發射聲、二次發射聲……逐次消失。因此，室內聲能密度將逐漸減弱，直至趨近為零。這一衰變過程稱為「混響過程」或「交混迴響」。

從室內聲音的增長、穩態和衰變過程可以看出，當室內表面反射很強時，聲源發聲後，可獲得較高的聲能密度，而進入穩態過程的時間稍晚一點。當聲源停止發聲後，反射聲消失的時間拖得長些，即聲音衰變較慢。若室內表面吸聲量增加，則與上述情況相反，短時間內達到穩態，且聲能密度小，其混響過程也短一些。對音質要求較高的場所，須控制交混迴響時間，譬如音樂廳，其內部裝修就須專門人員進行設計，根據房間的大小、尺寸、牆壁與天花板的情況，採用一定的吸音材料以減小聲音的反射。

五、混響和混響時間計算公式

混響和混響時間是室內聲學中最為重要和最基本的概念。所謂混響，是指聲源停止發聲後，在聲場中還存在著來自各個界面的遲到的反射聲形成的聲音「殘留」現象。這種殘留現象的長短以混響時間來表徵：但房間內聲聲場達到穩態狀態後，使其停止發聲，聲能逐漸減少到原來聲能（穩態時具有的聲能）的百萬分之一所經歷，也就是聲壓級降低60dB所需的時間。一般用T60表示，單位為秒。

混響時間是目前音質設計中能定量估算的重要評價指標，它直接影響廳堂音質的效果。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。混響時間過短，聲音發乾，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。混響時間的大小與頻率相關，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。

假設混響聲場是一個房間，那麼混響聲場中混響的程度，取決於聲能被四周的牆壁以及房間中的物品反射、吸收的程度。舉一個極端的例子，如果在理想的混響聲場中打了個噴嚏，那麼噴嚏聲將被無限次反射，混響時間（T60）是永久持續的。但是這種理想的混響聲場很難實現，因為聲波會被四周的牆壁以及在聲場中的物品所吸收、投射等等。一個高混響的房間，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）

室內聲場中直達聲聲能密度等於混響聲聲能密度的點與聲源的距離，被稱為混響半徑或臨界距離。臨界距離在全頻帶內是不同的。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是不同的）。

好的聲學設計，臨界距離要離聲源儘可能遠，結果在全頻帶內混響最小最平坦。直達聲從揚聲器系統開始遞補減，是距離的函數(平方反比定律)。但混響恆定地散布房間（新的聲音不斷從揚聲器發出，混響不斷建立，直到新的聲音與被吸收的聲音相等，因此混響保持恆定）兩曲線的交點就是臨界距離。

最佳聽音區一定位於臨界距離內，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，臨界距離被推向後牆，使最佳聽音區變寬。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。

關於臨界距離（混響半徑）的一些特點：

1、當混響聲比直達聲大12db以上，聲音清晰度將全部失去；

2、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；

3、近聲場或直達聲場在臨界距離內，遠聲場或反射聲場（混響）在臨界距離外。

（二）混響與回聲

混響是室內聲反射和聲擴散共同作用的結果。同樣是源於反射，但由於人耳的聽聞特性，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，延遲時間小於30ms時，一般人耳不能區分出來，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（相當於直達聲與反射聲之間的聲程差大於17m），人耳能分辯出來自不同方向的兩個獨立的聲音，這時有可能出現回聲。回聲的感覺會妨礙音樂和語言的清晰度（可懂度），要避免。

（三）混響時間計算公式

長期以來，不少人對這一過程的定量化進行了研究，得出了適用於實際工程的混響時間計算公式。19世紀末，哈佛大學年青物理學家賽賓（W.C.Sabine）在解決學校Fogg藝術博物館聲學問題的過程中，進行了大量的吸聲試驗，提出了室內混響理論，奠定了現代建築聲學的理論基礎。他首先從試驗獲得混響時間的計算公式，通常又稱為賽賓公式。

根據賽賓公式可以看出，房間容積越大混響時間越長；平均吸聲係數越大，混響時間越短。體積巨大的空間，如果不進行吸聲處理的話，混響時間很長，造成講話清晰度下降。其提出控制混響時間主要有兩種方法：改變房間的容積和改變房間表面吸聲量。儘管在設計時改變房間的體積，但調整混響時間更實用的方法是改變吸聲量。

在室內總吸聲量較小（吸聲係數小於0.2）、混響時間較長的情況下，有賽賓的混響時間計算公式求出的數值與時間測量值相當一致，而在室內總吸聲量較大、混響時間較短的情況下，計算值則與實測值不符。

在室內表面的平均吸聲係數較大時，只能用伊林公式計算室內的混響時間。利用伊林公式計算混響時間時，在吸聲量的計算上也應考慮兩部分：

1、室內表面的吸聲量；

2、觀眾廳內觀眾和座椅的吸聲量（有兩種計算方法：一種是觀眾或座椅的個數乘與單個吸聲量；二是按照觀眾和座椅所佔的面積乘與單位面積的相應吸聲量）

賽賓公式和伊林公式只考慮了室內表面的吸收作用，對於頻率較高的聲音（一般為2000Hz以上），當房間較大時，在傳播過程中，空氣也將產生很大的吸收，這種吸收主要決定於空氣的相對濕度，其次的溫度的影響。這種考慮空氣吸收的混響時間計算公式稱為「伊林—努特生（Eyring-Knudsen)公式」。

六、房間共振和共振頻率

前面所述室內聲音的增長、穩態和衰減過程，都是從能量的增長、平衡以及衰減予以分析的，並沒有涉及聲音的波動性質，沒有涉及到聲音的頻率。但在實際情況中，室內有聲源發聲時，室內的聲能密度就會由於聲源的頻率不同而有強有弱，即房間對不同的頻率有不同的「響應」，房間本身也會「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，這個頻率的聲能密度就越強。

共振會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，某些固定位置被減弱。所以，房間共振現象會對室內音質造成不良的影響。

（一）矩形房間的共振頻率

在矩形房間的三對平行表面間也可產生共振，稱為軸向共振。除了三個方向的軸向共振外，聲波還可在兩維空間內出現駐波，稱為切向共振。此外，還會出現斜向共振。房間尺寸的選擇，對共振頻率有很大影響。

軸向共振

切向共振

斜向共振

（二）共振頻率的簡併

某些振動方式的共振頻率相同時，就會出現共振頻率的重疊現象，稱為共振頻率的簡併。在出現簡併的共振頻率上，那些與共振頻率相同的聲音將被大大加強，使人們感到聲音失真，稱之為聲染色。

想要克服共振頻率的簡併現象，需要選擇合適的房間尺寸，比例和形狀，並進行室內表面處理。一般來說，房間的形狀越不規則越好。如果將房間的長、寬、高的比值選擇為無理數時，則可有效地避免共振頻率的簡併。再者，如果將房間的牆面或頂棚處理成不規則的形狀，布置聲擴散構件，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。

七、聲波的干涉和駐波

聲波的干涉

當具有相同頻率、相同相位的兩個波源所發出的波相遇疊加時，在波重疊的區域內某些點處，振動始終彼此加強；而在另一些位置，振動始終互相削弱或抵消，這種現象叫做干涉。當兩列頻率相同的波在同一直線上正對或同向傳播時，疊加後因干涉而產生的波稱為駐波。

駐波

駐波的特點是，在空間上出現穩定的交替變化位移幅度場，有些位置是極大值，有些位置是極小值，兩者空間位置距離為1/4波長，在極大值和極小值之間出現過渡值。即在入射波與反射波相位相同的位置上，振幅因相加而增大；在相位相反的位置上，振幅因相減而減小。這就形成了位置固定的波腹與波節。對於聲壓而言，距牆面1/2波長處和距牆面1/2波長的整數倍處，聲壓最大，成為聲波的波腹。

房間中出現駐波時，聽感為一種嗡聲。例如，在無陳設的空房間，擊掌發聲，餘音中嗡嗡作響，這就是駐波引起的。駐波還能在二維或三維空間中形成，對於視聽室、錄音室、演播室來說會造成聲場分布嚴重不均勻，是一種不良的室內聲缺陷，需要通過音質設計預以防止。消除駐波的最佳方法是改變房間的形狀，使牆面不平行，或將牆成做成弧形。

結語：從以上可以看出，室內空間設計是影響聲音表現最大的因素，也是最難以克服的問題。因此，我們在打造一間視聽室之前，必須要根據實際情況選擇不同的聲學處理方法，有效避免產生聲學缺陷。

除了本文所涉及的內容之外，室內聲學設計還包括室內聲學處理方式、各類聲學材料的特性及構造以及計算機模擬測量等方面。「影音新生活」也將繼續針對以上內容進行詳細地剖析，敬請關注。

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