房间声学设计

1、房间声学房间声学设计设计清华大学建筑物理实验室清华大学建筑物理实验室 朱相栋朱相栋家庭影院对声环境的要求音质良好房间的要求和对策音质良好房间的要求和对策要要 求求对对 策策足够的响度正确选择体型，必要时安装扩声系统最佳的混响时间按照用途选择合适的混响时间和它的频率特性声能均匀分布让室内声场充分扩散不出现回声正确的选择体型，并进行吸声扩散处理降低室内噪声和振动干扰采取隔声和减振措施房间的响度问题（在家庭影院中主要以电声为主）最佳的混响时间室内声场建立和衰减过程不同混响时间计算公式的区别赛宾公式：适用于房间内吸声能力较弱的空间，例如音乐厅等长混响的房间。（可用于简单条件下的估算）艾润公式：适用与房

2、间内吸声能力较强的房间，例如录音室等短混响的房间。赛宾努特生公式：在赛宾公式的基础上增加了针对高频部分的空气吸收。适用与房间较大，且吸声能力较弱的房间。艾润努特生公式：在艾润公式的基础上增加了针对高频部分的空气吸收。适用于房间较大，且吸声能力较强的房间。室内声能均匀分布不出现回声前面所示的两个图片是典型的室内声场分布的形象化表示。 第一张图片中显示的低频部分在室内形成的稳定声场。从图中可以看出室内声场的起伏较大。造成这个现象的主要原因是低频部分声波波长较大，与房间室内的几何尺寸能够形成简单的倍数关系，因此不能再室内形成稳定的混响声场，加之平行墙面造成的驻波现象存在。 第二张的图片中是高频部分声

3、能在室内形成的稳定声场。图中显示声场起伏较小。高频部分声波的波长较短，能再在房间内形成多次反射。降低室内噪声和振动干扰家庭影院中的声环境问题家庭影院的空间特点（一）： 由于小空间内房间尺寸较小，与声波波长能发生一定的比例关系，尤其是在低频部分200Hz甚至是更低的频段左右。因此小房间固有的共振模式会引起某部分频段声音能量衰减不同于正常的衰减过程，或者共振频率集中于某一频段，造成声染色现象，造成室内听音效果变差。 家庭影院特点（二）： 家庭影院一般位于家庭或者写字楼内，因此家庭影院与周围空间的相互干扰问题需要妥善的解决。同时要求满足家庭影院内背景噪声的要求。小空间内的声学指标 根据小空间使用要求

4、不同，其声学指标也不尽相同。例如录音室，其声学指标要求背景噪声满足NR-20曲线要求，混响时间一般要求小于0.5S，个别用途的录音室混响时间要求小于0.3S；家庭影院、试听室等一般要求背景满足NR20曲线要求即可，混响时间一般控制在0.30.4S即可。 小空间内避免出现的声学问题 所有的小空间内都要求消除驻波、振颤回声、简正等声学缺陷。 小空间内需要达到的声学效果 对于用于视听视听使用的小空间，室内直观的听音效果包括：清晰的对白、准确的声音定位、空间感十足的环绕声场、平滑的声像移动、均衡的音色、宽广的动态范围、每个座位都有好的效果。 小空间内存在的声学问题 普通小空间内的空间尺寸较小，与低频部

5、分波长相近或者与低频部分波长的 呈简单的倍数关系，房间产生共振现象。 轴向共振nc=2Lcf 22,2yxnx nyxynncfLL切向共振222,2yxznx ny nzxyznnncfLLL斜向共振 当声波接触到界面后被反射回来，墙面的吸收系数太小，经吸收衰减的反射波能量较大，仍然能够与入射波发声干涉现象。产生驻波或梳状滤波现象。 在视听空间内过强的一次反射声会误导观众对声像定位的判断，影响室内立体声场的分布。当一侧的音箱发出的直达声经过另一侧的墙面反射后达到另一侧的人耳时会略晚于另一侧音箱的直达声到达人耳，且存在一个极小的时间间隙。当反射声强度足够大或方向性足够强的情况下，会扰乱大脑对声

6、音来源的判断，造成声像定位偏移。 音响系统的重放频率的下限可以达到20Hz，成熟的室内音质控制技术是125Hz，因此在家庭影院这样的小空间内，如何处理低频部分的声场分布和混响问题是解决室内音质的首要问题。解决途径主要有室内体型、比例、吸声和扩散材料布置。其中，混响时间可以进行计算，其他指标只能定性考虑，根据工程经验进行解决。家庭影院声学设计房间体型 当房间内存在声源发声时，激发信号会引起房间的共振。在激发频率范围和相邻频率内形成简正波。房间内声压等于所有简正波声压之和。当简正波的密度足够大时，听觉上就会感觉到声压分布均匀。 室内的容积和几何尺寸决定了室内简正波的数量和密度。房间内简正波的数量和

7、房间的容积和频率的三次方成正比，简正波的密度与房间容积和频率的平方成正比。 在一个6mX7mX8m的房间内，房间共振频率随频率的分布情况。从右图可知，房间容积越大，频率越高，共振频率的峰值越接近，声场分布越趋于均匀。 房间的最小容积与房间需要重放频率下限存在如下关系： 其中：V是房间最小容积m3，是下限频率对应的波长m。minmax4V 规则的体型容易在室内造成声学缺陷。尤其是空间的长宽高比例是整数比的情况下。因此可在空间体型设计之处，确定室内空间大小时调整长宽高的比例。理想的长宽高比例应该是无理数的比，这样可以避免简正波发生简并。高111111宽1.141.281.601.401.301.5

8、0长1.391.542.331.901.902.10 当房间内原有的尺寸及实际中可调的尺寸不能满足理想的比例要求时，可以通过调整室内墙面和天花的形状使简正波均匀分布。或者通过增加房间的共振阻尼来减弱房间的共振效应。 对于较低频率的共振引起的室内声场分布不均匀的问题，调整室内空间效果并不明显，建议通过电声系统对其进行弥补。家庭影院的声学设计室内反射声 小房间内的反射声分布是为观看者提供空间感得重要来源。 在混响时间过短的房间内，反射声不足，人们听到的只是音响发出来的声音信息，会感觉声音苍白无力，没有空间感。即使依靠扬声器重放加有混响效果的声音，声像会更加立体，但是不可能重塑空间感。通过实验发现，

9、当反射声的延时不超过100ms，反射声是从侧面反射向观众，且各个反射声毫不相干的情况下，主要保证能存在几个反射声，也能塑造良好的空间感。 室内混响时间过长，会造成反射声过于密集，混响声压较高，能够掩蔽室内出此案的声学缺陷。由反射声造成的空间感较强，但是音响系统的声音效果会变得含混不清。室内混响时间过短，混响声压较低，室内存在的声学缺陷会比较突出。虽然音响效果明显了但是同样不可取。而且在过短的混响时间条件下，反射声相对较弱，同样会影响空间感的塑造。反射声的处理方式和室内混响控制存在着相矛盾的一些因素。在家庭影院的设计中，通常做法是在前部，也就是音响附近进行强吸声处理，消除反射声，避免音箱后墙反射

10、回来的声音与音箱发出的声音相干涉。在后部进行扩散处理，保留反射声创造室内空间感。家庭影院的声学设计混响时间计算室内混响时间控制的主要步骤：（一）确定室内混响时间指标；（二）根据装修方案，和室内家具布置对室内混响时间进行初步计算；（三）如计算结果不能达到设计指标，则调整装修用材的面积和做法。常用材料的吸声特性： 薄板共振吸收特性主要以吸收低频为主，主要吸收频率约在125Hz250Hz附近。根据板材的厚度和其背后空腔大小不同，吸声特性会发声变化，通常为增加板材的低频吸声特性，可增加板材后空腔的深度。常用的薄板吸声构造主要有木质板材系列，包括木夹板、薄木板、密度板等；矿物板材系列，包括石膏板、硅酸钙

11、板等。 多孔性吸声材料主要包括玻璃棉、密胺海棉（三聚氰胺海棉）、聚酯纤维板、布艺吸声软包等。其吸声特性以吸收中高频为主，主要吸声频段为500Hz以上，其吸声系数可高达0.91.0. 常用装修材料的吸声系数（低频吸收材料）：1252505001000200040009厚石膏板0.260.130.080.060.060.06三夹板0.250.200.100.080.080.08硅酸钙板0.030.040.040.040.060.06常用装修材料的吸声系数（高频吸收材料）：125250500100020004000玻璃棉毡0.400.800.850.900.850.85吸声软包0.200.600.8

12、00.850.900.90密胺海棉0.150.510.880.950.920.92 混响时间计算样表： 混响时间计算中，家具的吸声系数同样不容忽视。下表是典型房间内混响时间值。随着布艺装饰和软质家具使用增加，室内混响时间会更短。在室内吸声材料布置中，切忌将某一类型的吸声材料集中布置。不同类型吸声材料宜交错布置，且均匀分布在室内（房间前部音响附近除外）。 家庭影院内的混响感是声音信号录制和调制的混响效果与听音环境的混响效果之和。因此在家庭影院内播放节目时，实际的混响感通常会比节目录制的混响感略长。家庭影院的声学设计扩散处理为消除室内可能产生的声学缺陷，在空间内部增加扩散体的做法，通过对墙面进行凸

13、凹的变化，使房间简正模式均匀分布从而实现平滑的低频相应，改善室内声场。对于由于反射声引起的声像定位偏移现象，可以在引起反射的墙面设置扩散体或者强吸声材料，消除反射声的影响。 根据经验，它们的尺寸关系可由下式估算：式中：a扩散体宽度，m； b扩散体凸出高度，m；g扩散体间距，m；c空气中声速，ms；f声波的频率，Hz；声波的波长，m。 为墙面平整美观，可以采用以下扩散处理方式。使用透声饰面材料将不规则的扩散体进行遮挡。家庭影院的声学设计隔声设计 当室内背景噪声要求满足NR-15曲线要求时，墙体隔声设计要求隔声量指标达到60dB要求，当室内背景噪声要求满足NR-20曲线要求时，墙体隔声量指标可相应

14、降低至55dB。此设计要求是针对普通住宅空间和普通办公空间提出。 环绕立体声家庭影院的电声设备中包括有低音音箱，其声音能量和振动能量巨大，因此要需要对其设置减振基座。 设计实例介绍 该试听室位于普通商用办公楼中间。主要用于电影等娱乐活动使用，建声设计主要为电声系统工作创造良好的还原声效的建声环境。 设计指标背景噪声满足NR-20曲线要求，混响时间中频0.40.1S，音响系统工作条件下室内声场不均匀度小于2dB，无声学缺陷。设计实例室内声场设计 装修设计在试听室两侧墙采用壁柱和布艺吸声软包交错布置的方式。根据声学要求，将壁柱的外表面使用木夹板包裹成圆弧形状，对声音进行扩散。壁柱中间的布艺吸声软包

15、部分外在保持外表面表观一致的情况下，在内部布置扩散构造，对入射到其表面的声音能量进行吸收和散射。 在试听室后墙设置多宝格装饰构造。其后壁安装吸声材料，同时由于多宝格凸凹不平的外观样子和交错布置的薄板封面，对入射到其表面的声能也能起到一定的散射作用。有外窗一侧安装厚重的吸声窗帘，拉开和闭合窗帘能够调节室内混响时间。吊顶采用根据数论计算确定的QRD扩散构造，避免顶面和地面之间产生共振现象。 设计实例室内混响时间控制 墙面使用布艺吸声软包和木夹板交错布置，合理控制室内混响时间。布艺吸声软包吸声特性以中高频为主，通过增加软包后空腔大小，增加低频部分吸声特性。外窗内侧安装厚重的吸声窗帘，一是增加室内吸声量，降低混响时间，二是能起到良好的遮光作用，保证室内观赏影片时不受外界干扰