室内声场

一、室内声场的特征

        从室外某一声源发生的声波，以球面波的形式连续向外传播，随着接收点与声源距离的增加，声能迅速衰减。在无反射面的空中，声压级的计算遵循以下公式：

           dB                     (1)

式中：——空间某点的声压级，dB；

     ——声源的声功率级，dB；

    ——测点与声源的距离，m。

上式也可改写为

              dB                     (2)

        在这种情况下，声源发出的声能无阻挡地向远处传播，接收点的声能密度与声源距离的平方成反比，即距离每增加1倍衰减6dB，性质极为单纯。 

对于存在地面反射的情况，上式也可改写为

         dB                     (3)

 图 1 存在地面反射时的虚声源

        在剧院的观众厅、体育馆、教室、播音室等封闭空间内，声波在传播时将受到封闭空间各个界面(墙壁、天花、地面等)的反射与吸收，声波相互重叠形成复杂声场，即室内声场，并引起一系列特有的声学特性。  

    室内声场的显著特点是：

    (1)距声源有一定距离的接收点上，声能密度比在自由声场中要大，常不随距离的平方衰减。

    (2)声源在停止发声以后，在一定的时间里，声场中还存在着来自各个界面的迟到的反射声，产生所谓“混响现象”。

        此外，由于与房间的共振，引起室内声音某些频率的加强或减弱；由于室的形状和内装修材料的布置，形成回声、颤动回声及其他各种特异现象，产生一系列复杂问题。如何控制室的形状及吸声——反射材料的分布，使室内具有良好的声环境，是室内声学设计的主要目的。

二、几何声学

        忽略声音的波动性质，以几何学的方法分析声音能量的传播、反射、扩散的叫“几何声学”。与此相对，着眼于声音波动性的分析方法叫做“波动声学”或“物理声学”。

        对于室内声场的分析，用波动声学的方法只能解决体型简单、频率较低的较为单纯的情况。在实际的大厅里，其界面的形状和性质复杂多变，用波动声学的方法分析十分困难。但是在一个比波长大得多的室内空间中，如果忽略声音的波动性，用几何学的方法分析，其结果就会十分简单明了。因此在解决室内声学的多数实际问题中，常常用几何学的方法，就是几何声学的方法。当然，这并不是说波动理论不重要，为了正确运用几何声学的方法，对声音的波动性质也应有正确和足够的理解。

        几何声学的方法就是把与声波的波阵面相垂直的直线作为声音的传播方向和路径，称为“声线”。声线与反射性的平面相遇，产生反射声。反射声的方向遵循入射角等于反射角的原理。用这种方法可以简单和形象地分析出许多室内声学现象，如直达声与反射声的传播路径、反射声的延迟以及声波的聚焦、发散等等。

        图2是声音在室内传播的图形。从图中可以看到，对于一个听者，接收到的不仅有直达声，而且还有陆续到达的来自天花、地面以及墙面的反射声，它们有的是经过一次反射到达听者的，有的则是经过二次甚至多次反射到达的。图3表示在房间内可能出现的四种声音反射的典型例子。图中A与B均为平面反射，所不同的是离声源近者A，由于入射角变化较大，反射声线发散大；离声源远者B，各入射线近于平行，反射声线的方向也接近一致。C与D是两种反射效果截然不同的曲面，凸曲面C使声线束扩散,凹曲面D则使声音集中于一个区域，形成声音的聚焦。

图2 室内声音传播示意图

图3 室内声音反射的几种典型情况
A,B—平面反射;C--凸曲面的发散作用;D--凹曲面的聚焦作用

        据研究，在室内各接收点上，直达声以及反射声的分布，即反射声在空间的分布与时间上的分布，对音质有着极大的影响。利用几何作图方法，可以将各个界面对声音反射的情况进行一定程度的分析，但由于经过多次反射以后，声音的反射情况已经相当复杂，甚至接近无规则分布。所以，通常只着重研究一、二次反射声，并控制他们的分布情况，改善室内音质。