第四章 音频技术

第四章音频技术第1页，共60页，2023年，2月20日，星期四第一节室内声场室内声场的基本特征声源以及接收器所处的空间有两大类：一是自由空间。典型的自由空间是消声室。它是一种声波可以“自由”传播而不存在反射声的专门场所。无限宽广的室外空间可以粗略地看成是自由空间。另一是封闭空间。任何室内空间，如大型厅堂、体育馆、演播厅、录音棚、播音室、洗手间等等，都是封闭空间的典型例子。2023/5/5第2页，共60页，2023年，2月20日，星期四第一节室内声场从声学性质上讲，声源在自由空间中形成的是自由声场，而在封闭空间内形成的则要考虑到声波的反射、声波的吸收、声波的共振等因素，往往要把它们作为混响声场（室内声场）来处理。室内声场是指声源辐射的声波在封闭的室内传播时所形成的声场。2023/5/5第3页，共60页，2023年，2月20日，星期四（一）室内声场的组成直达声：声源直接传到听者耳朵中的声音前期反射声（近次反射声）：延迟时间小于50ms的反射声混响声：经过众多反射面，众多反射间隔较小2023/5/5第4页，共60页，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第5页，共60页，2023年，2月20日，星期四（二）简正方式和简正频率 驻波条件：L=n×λ/2

式中：（n＝1，2，3，…），λ相应波长 按驻波条件形成的每一个驻波称为房间的一个简正方式，其相应的频率为简正频率。

2023/5/5第6页，共60页，2023年，2月20日，星期四ＸＹＺＯ1232023/5/5第7页，共60页，2023年，2月20日，星期四简正频率相同而简正方式不同的现象，称之为简正频率的“简并”。声染色：声场中某些频率成分得以加强2023/5/5第8页，共60页，2023年，2月20日，星期四（三）室内声场的基本特征室内声源辐射的连续稳定声波，室内各受音点接受到的声压值也是稳定的，声压随声源距衰减没有室外明显。由于室的周边对声的反射作用，室内声源停止发声后，室内声并不立即停止，而是继续持续以段时间，这种声的残响现象通常称之为混响。由于室形状的复杂性，声波在室内传播时，还会产生回声、聚焦以及声染色等特异声现象。2023/5/5第9页，共60页，2023年，2月20日，星期四混响和混响时间（一）室内声场的建立稳定和衰减声源在单位时间内向周围空间辐射的声能将与室的内周边界面在同一时间内吸收的声能相等，此时达到稳定值4W/cA。其中Ｗ为声源声功率，ｃ为声速，Ａ＝Ｓā为室内表面吸声总量。室内声能从稳定值逐渐衰减为0的过程为衰减过程。

2023/5/5第10页，共60页，2023年，2月20日，星期四2023/5/5当声波遇到界面时，一部分被反射回来，一部分进入界面。进入界面的声波，由于界内材料的吸收作用，部分声能转化为热能而被消耗，这就是声波的吸收。还有部分继续传播，称之为透射。第11页，共60页，2023年，2月20日，星期四（二）混响时间的计算混响时间对人的听音效果影响很大。1、混响时间的定义T60我们定义Lp衰减60(dB)的时间或声强衰减为原来百万分之一的时间。2023/5/5第12页，共60页，2023年，2月20日，星期四2、赛宾(W.C.Sabine)公式Ｖ为室容积，Ｓ为声室的内界面面积，ā为声室内界面平均吸声系数。2023/5/5第13页，共60页，2023年，2月20日，星期四3、艾润(C.F.Eyring)公式4、其它混响公式ｍ为空气对声波的吸收衰减率2023/5/5第14页，共60页，2023年，2月20日，星期四习题1：某房间的长11m，宽7m，高5m，已知平均吸声系数0.02，满场为60人，每个人的吸声量Ａ为0.38，求T60和T60满？2023/5/5第15页，共60页，2023年，2月20日，星期四习题2某房间的两侧墙面积S1=300m2，吸声系数为0.02，两端墙S2=150m2，吸声系数为0.026，顶棚S3=300m2,吸声系数为0.68水泥地面S4=300m2，吸声系数为0.02，室内有250张椅子，每张的吸声量Ａ为0.14，求房间的混响时间T60是多少？2023/5/5第16页，共60页，2023年，2月20日，星期四（三）混响时间的频率特性

室内各界面材料或界面结构对不同频率声波的吸声系数不一样，不同频率的声音混响时长也不一样，这一特性为混响时间的频率特性。一个房间的混响时间是指500Ｈz时的声音。2023/5/5第17页，共60页，2023年，2月20日，星期四室内声场分布1、房间常数假设声场是理想的，声场中各点混响声的声能密度处处相等，设Ｒ即是房间常数。房间吸声系数越大，Ｒ越大，e越小。房间常数是房间吸声能力及混响声声能密度的反应。

2023/5/5第18页，共60页，2023年，2月20日，星期四2、混响半径

2023/5/5第19页，共60页，2023年，2月20日，星期四3、声源指向因子 自由声场中，声源在某方向上某点产生的声强与相同声功率无指向声源在该方向该点产生的声强比值。 自由声场是无反射面的声场，或反射面ā值为1。2023/5/5第20页，共60页，2023年，2月20日，星期四第二节室内音质的改善一、常见声缺陷及其对音质的影响外界噪声对室内声场的干扰 外界噪声进入室内的三条途径：通过门、窗、管道进入；透过墙壁等传入，二次声源。建筑物构建受机械撞击，振动沿隔离物传播辐射干扰。主要以空气传播或固体传声两种方式进入室内。2023/5/5第21页，共60页，2023年，2月20日，星期四室外噪声对室内音质的危害：提高了背景噪声声级，降低了信噪比;掩蔽作用明显;非稳定噪声;破坏室内声场的正常分布，音质严重恶化。2023/5/5第22页，共60页，2023年，2月20日，星期四混响时间对音质的影响混响时间过长：清晰度混响时间过短：力度混响时间频率畸形房间大小及线度比例对简正频率分布的影响2023/5/5第23页，共60页，2023年，2月20日，星期四二、室内音质改善的建筑声学方法控制噪声和振动干扰，提高信噪比。修正混响时间及其频率特性，以符合设计要求。2023/5/5第24页，共60页，2023年，2月20日，星期四改善房间形状、结构，提高房间扩散性能长方体形房间长、宽、高比例尽量避免1:2、1:1等简单比例关系。房间容积应足够大，使间隔较大的简正频率尽量推向很低频段使频率范围内频率分布均匀。对长宽高比例不当的房间，可通过空间分割尽量减少房间平行内壁。室内吸声材料和吸声结构的铺装以非对称为宜。2023/5/5第25页，共60页，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第26页，共60页，2023年，2月20日，星期四合理设计反射面，改善前其反射声2023/5/5第27页，共60页，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第28页，共60页，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第29页，共60页，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第30页，共60页，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第31页，共60页，2023年，2月20日，星期四2023/5/5第32页，共60页，2023年，2月20日，星期四第三节吸声与隔声材料的结构与机理一、吸声材料与吸声机理按吸声机理，常用的吸声材料与吸声结构可分为多孔吸声材料、共振吸声结构和电子吸声器。一切对入射声波具有吸收作用的材料都是吸声材料，通常我们指吸声系数≥0.2的材料才称为吸声材料。应用于吸声设计中的吸声构件都称之为吸声结构。2023/5/5第33页，共60页，2023年，2月20日，星期四多孔吸声材料包括纤维材料和颗粒材料。纤维材料有：玻璃棉、超细玻璃棉、矿棉等无机纤维及其毡、板制品，棉、毛、麻等有机纤维织物。颗粒材料有膨胀珍珠岩、微孔砖板等块、板制品。2023/5/5第34页，共60页，2023年，2月20日，星期四靠共振作用吸声的柔性材料（如闭孔型泡沫塑料，吸收中频）、膜状材料（如塑料膜或布、帆布、漆布和人造革，吸收低中频）、板状材料（如胶合板、硬质纤维板、石棉水泥板和石膏板，吸收低频）和穿孔板(各种板状材料或金属板上打孔而制得，吸收中频)。2023/5/5第35页，共60页，2023年，2月20日，星期四电子吸声器（有源吸声器）：利用电子线路供给反相声音，从而降低局部噪声的设备。2023/5/5第36页，共60页，2023年，2月20日，星期四

吸声材料（结构）按其频率特性来分，可分为低频吸声、中低频吸声、中高频吸声、高频吸声和全频带吸声五种类型。吸声材料的分类2023/5/5第37页，共60页，2023年，2月20日，星期四多孔吸声材料是应用最普遍的一种吸声材料，这类材料包括玻璃棉、岩棉、矿棉等无机纤维材料及采用上述材料制成的板材和毡材，聚氨酯、聚苯烯和尿醛泡沫塑料，膨胀珍珠岩等，此外具有一定透气性能的纺织品帘幕也可归为这类吸声材料。2023/5/5第38页，共60页，2023年，2月20日，星期四多孔吸声材料的结构特点是从里至外均有相当数量内外连通的极小间隙，因而透气性好，当声波入射到多孔材料表面时，声波沿微孔进入材料内部，并激发起微孔内的空气振动，由于空气的粘滞性和微孔内相对摩擦产生的粘滞阻力使空气振动，声能不断转化为热能而引起声能衰减。因此，多孔吸声材料在表面和内部均应该有大量的连续的微孔或间隙，以保证材料的吸声性能。影响多孔吸声材料性能好坏的主要因素是材料的厚度、流阻、孔隙率、容重以及材料的背后条件、结构等因素。2023/5/5第39页，共60页，2023年，2月20日，星期四1.厚度不同厚度玻璃棉板吸声频谱容重：24kg/m3厚度：①15mm②25mm③100mm2023/5/5第40页，共60页，2023年，2月20日，星期四2.孔隙率

孔隙率是材料内部连通孔隙体积与材料总体积之比，多孔吸声材料的孔隙率一般在70％以上，多数达90％左右。2023/5/5第41页，共60页，2023年，2月20日，星期四3.容重（密度）

容重在一定程度上可以衡量材料的孔隙率。

厚度25mm玻璃棉板不同容重吸声频谱容重：①32kg/m3②48kg/m3③80kg/m32023/5/5第42页，共60页，2023年，2月20日，星期四4.材料背后条件

多孔吸声材料背后留有一定深度的空腔或空气层，其作用相同于增加材料的有效厚度，可以改善低频吸收。

背后空气层对玻璃棉板吸声系数的影响空气层深度：①0mm②16mm③50mm2023/5/5第43页，共60页，2023年，2月20日，星期四5.面层的影响多孔材料油漆或涂料面层会降低材料的透气性，在面层影响下，高中频吸声系数下降，低频吸声系数会稍有提高多孔吸声板上油漆影响①未油漆表面②喷涂一层油漆③刷一层油漆④刷二层油漆2023/5/5第44页，共60页，2023年，2月20日，星期四6.钻孔与压缝的影响在硬质多孔吸声材料上钻孔或压缝，可使材料与声波接触面积增大，吸声性能获得改善，其改善程度主要在于中、高频吸声系数有所提高。2023/5/5第45页，共60页，2023年，2月20日，星期四7.护面材料的影响大多数多孔吸声材料，表面松散，强度差，需要使用护面材料来满足建筑或装饰需要一对护面材料要求透气性好，否则对多孔材料的吸声影响较大。护面材料大致可分为两类：第一类为全透气性材料，这类材料包括阻燃装饰布、玻璃纤维布、麻布、金属网和穿孔率超过25％的穿孔铝板等。第二类为穿孔板的护面层，例如穿孔金属铝板、穿孔胶合板、穿孔石膏板、穿孔水泥板等2023/5/5第46页，共60页，2023年，2月20日，星期四穿孔板吸声结构T为腔深（cm），t为板厚（cm），Ｐ为穿孔率，

δ为板厚修正；δ＝0.8ｄ，ｄ为穿孔的孔径（cm），Ｄ为孔距（cm）。dtT2023/5/5第47页，共60页，2023年，2月20日，星期四第四节吸声与隔声材料的结构与机理Ｐ穿孔率如果圆孔呈正方形排列则如果圆孔呈三角形排列则ｄ为穿孔的孔径（cm），Ｄ为孔距（cm）。2023/5/5第48页，共60页，2023年，2月20日，星期四第四节吸声与隔声材料的结构与机理习题1：穿孔板厚4mm，穿孔直径d＝8mm，邻孔距呈等边三角型排列，孔距D＝25mm，空腔深度T＝50mm，求共振频率f0？习题2：穿孔板厚4mm，穿孔直径d＝8mm，呈正方形排列，孔距D＝20mm，空腔深度T＝10cm，求共振频率f0？2023/5/5第49页，共60页，2023年，2月20日，星期四薄板、薄膜吸声结构 如果声波频率与该结构固有频率相同，则该系统发生共振，从而达到吸声目的。M为薄板单位面积的质量(kg/m2)；L为薄板离刚性面的距离，即空腔深度(cm)。2023/5/5第50页，共60页，2023年，2月20日，星期四空间吸声体是一种预先预制好悬挂在厅堂空间的一种吸声构造。2023/5/5第51页，共60页，2023年，2月20日，星期四空间吸声体的结构形状可以根据使用场合、吸声、装饰要求预制出多种形体，常见的有矩形体、平板状、圆柱形、棱锥形、球形、多面体形等，其尺度大小应与房间的大小与高度相适宜，表面积可从2m2～10m2