廳堂混響時間的新型測量方法簡介

一、前言

　　混響時間反映了室內(nèi)聲能的衰變快慢，它是由100多年前美國物理學(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所需的時間，如圖1所示。我們可以通過賽賓公式對混響時間進行計算，由此可見混響時間和建筑物的體積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其進行現(xiàn)場測量，作為房間的實際混響時間來衡量。目前大部分混響時間測量依然遵照“GB-J 76-1984 廳堂混響時間測量規(guī)范”來進行的，隨著科技的發(fā)展目前國際上有了新的測量混響時間的方法，本文對該混響時間測量原理、測量案例等方面進行了簡要介紹，以起到拋磚引玉的作用。

圖1 混響時間

　　二、測量原理

　　目前國內(nèi)標準中常用的混響時間測量方法是噪聲截斷法，由于現(xiàn)場測量環(huán)境信噪比的約束，在實際的工程測量中噪聲截斷法，通常選擇衰減曲線-5dB到-35dB所對應(yīng)的時間來計算房間混響時間的用T₃₀表示。這種測量方法要求信號源的聲壓級要高于噪聲45dB以上，對實際測量環(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的，其公式表達如下：

　　其中S（t）為穩(wěn)態(tài)噪聲的聲壓衰減函數(shù)，尖括號表示群體平均r(x)為被測房間的脈沖聲響應(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)平方在時間上的積分相等，即衰減開始后t時刻的響應(yīng)總體平均與脈沖響應(yīng)的平方從t到的積分相等，也就是說我們可以利用脈沖響應(yīng)平方的積分來獲得一條相當(dāng)于很多衰減曲線平均的聲壓級衰減曲線，通過這條曲線可以較為方便的計算出聲壓衰減曲線從而獲得混響時間。

　　由于噪聲截斷法測量混響時間的種種限制，目前通?；祉憰r間的測量方法為脈沖響應(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，通常我們會通過發(fā)出白噪聲或掃頻信號，通過信號處理中的反卷積方法來獲得，信噪比高的脈沖響應(yīng)。即將播放的聲音信號作為聲學(xué)系統(tǒng)的輸入信號，記為x_（n），通過房間內(nèi)測試點話筒接收到的聲音信號作為房間系統(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)],即通過信號源發(fā)聲體激勵房間，并通過測量點記錄到信號，即可計算該房間的脈沖響應(yīng)。

　　三、測量步驟

　　通過上面我們對混響時間的了解，利用脈沖響應(yīng)積分法進行測量，其系統(tǒng)可分為聲源、測試話筒、測量軟件三部分，如圖2所示，為脈沖響應(yīng)積分法測量混響時間的測試系統(tǒng)圖。聲音信號通過電腦經(jīng)聲卡由正十二面體點聲源揚聲器發(fā)出，通過對房間的激勵在測量點由測量話筒記錄到電腦，經(jīng)專業(yè)測試軟件進行數(shù)字信號處理，最終獲得混響時間。為了更好地激勵房間的聲學(xué)特性，通常測量時對聲源及話筒有一定的要求，其中揚聲器的指向性應(yīng)盡可能接近全指向，且可以提供足夠的聲壓級來滿足聲壓衰減的動態(tài)要求，同時對于測量話筒來說振膜越小越好，最大直徑不能超過26mm。

圖2 測量系統(tǒng)框圖

圖3 掃頻信號

　　圖3為掃頻信號，作為房間激勵的噪聲信號，頻率為20Hz-20KHz時長為10s，通過該信號與自身的卷積可以獲得脈沖信號，如圖4所示，從圖中可以看出經(jīng)計算得出的脈沖響應(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

圖5 測量話筒記錄掃頻信號

　　圖5為話筒在測試點實際記錄的掃頻信號波形，我們從中可以看出不同頻率在該點的振幅不同，并通過與原始掃頻信號的反卷積獲得沖擊響應(yīng)波形，如圖6所示，前兩個小波峰是由于算法問題導(dǎo)致的不影響我們對房間沖擊響應(yīng)做出判斷，只要關(guān)注最大的那個脈沖就是房間的脈沖響應(yīng)。通過計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的位置開始衰減，最終獲得的混響時間如表1所示，不但可以獲得混響時間T₂₀、T₃₀的參數(shù)，同時還可以計算得到C50、C80、EDT等眾多聲學(xué)技術(shù)參數(shù)，如圖8所示為房間混響時間，其混響時間從125Hz-4000Hz基本在0.35s附近，且房間的混響時間較為平直。

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 房間混響時間曲線

　　四、測量實例分析

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

　　對于話筒測量點數(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耳朵距地面高度相同。對于工程噪聲為目的的混響時間測量，話筒測量點可以在觀眾區(qū)域中心附近布置相對較少的三到四個點即可。若是對于廳堂混響設(shè)計為目的的測量，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)量具有代表性的測量點。同時對于聲源的發(fā)聲位置來說也要根據(jù)廳堂日常使用的情況來進行變更，通常放置在日常經(jīng)常發(fā)聲的位置，類似舞臺、樂池等位置，針對不同的發(fā)聲位置和使用目的進行靈活布點。如圖9所示，首先測量了用戶反應(yīng)較為不理想的區(qū)域，例如錄音棚內(nèi)測試點1-5，同時為了反映整個錄音棚的平均聲學(xué)特征，在測量時另外增加了測試點6-7點。其次對控制室錄音師位置以及房間中心位置進行測量，以獲得控制室的混響時間頻域特征。

圖9 話筒測試點分布圖

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

圖10錄音棚平均混響時間曲線

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

圖11錄音棚混響時間曲線

　　圖12為控制室混響時間曲線測量結(jié)果，相對于錄音棚來說較為平直，主要混響時間在0.35S-0.4S之間，只有250Hz混響時間低于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)生的問題。

圖12 控制室平均混響時間曲線

圖13錄音棚控制室混響時間曲線

　　圖13為控制室兩個測試點的混響時間曲線，從圖中可以看出調(diào)音臺錄音師位置的混響時間曲線較為平直，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間較高，中低頻部分與測試點1類似，而高頻部分相對較高，有可能為房間內(nèi)家具及柜子玻璃的反射面所致，原因需要進一步排除才能確定。

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

圖14 不同廳堂的最佳混響時間

　　房間的混響時間不但和房間的容積有關(guān)，同時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推薦最佳混響時間，橫坐標為房間的容積，縱坐標為500Hz混響時間，從圖可以看出當(dāng)房間體積越大時，推薦混響時間是不斷提高的。對于語言類播音室、會議室來說為了提高其語言清晰度，通常需要較短的混響時間。對于音樂用途的建筑，例如音樂廳、歌劇院、音樂播音室等來說，在相同房間容積的條件下要有更大的混響時間。對于本次測量房間其容積在140立方左右，故對于語言類播音室來講0.4S左右的混響時間是較為合適的。故通過對該錄音棚房間的測量，可以看出混響時間曲線的不平直是其最大的問題，我們可以通過在房間墻面及天花等處增加二次余數(shù)（QRD）擴散體或其它擴散板的措施來減少高頻吸收，同時提高其聲場的均勻分布。同時在房間的四個角落放置低頻吸聲結(jié)構(gòu)體（低頻陷阱角位擴散體），從而控制中低頻的混響時間，降低室內(nèi)低頻共振對聲學(xué)環(huán)境的破壞。

　　五、小結(jié)

　　通過以上對新型混響時間測量方法的介紹，可以看出它的最大優(yōu)越性在于測量系統(tǒng)簡便性以及較低的測量環(huán)境要求。較為簡便的混響時間測量方法對于工程實踐來說無疑是一件好事，同時通過該方法我們不但可以獲得混響時間數(shù)據(jù)，同時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)，為將來更好改善廳堂音質(zhì)做出貢獻。

來源：科訊廣電網(wǎng)