擴散聲場與聲場擴散的概念及兩者之間的關系

2017-05-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一、擴散聲場的概念

擴散聲場是在聲學原理中有理論定義的一種理想聲場,在《聲學名詞術語》中釋為“能量密度均勻,在各個傳播方向作無規分佈的聲場”。它包含:

擴散聲場中各點聲能密度均勻;
來自各個方向到達某點的聲強近似相等;
來自各個方向到達某點聲波的相位無規。

在實驗中,人們可用混呼室來建立接近于擴散聲場的實驗條件:在簡正模式重疊數較大的“高頻”,在聲源近場區外,基本可達到上述擴散聲場的理論條件。

必須指出,這里所說的聲能密度均勻不等于聲壓級均勻。聲能包括功能和勢能,聲壓只代表勢能。P.E.Doak理論計算了在擴散聲場假定下,單頻激發時擴散聲場中各點聲壓級平均值的標淮偏差為5.57dB。

另外H.G.Andres,D.Lubmann證明頻帶雜訊激發時,擴散聲場中各類聲壓級平均值的標淮偏差與帶寬和混響時間乘積的平方根成反比。更早些時間R.V.Waterhouse計算了封閉空間中介面處的干涉圖形:相對于中間平均值而言,剛性介面上的聲壓級高3Db,棱線上高6dB,頂角上高9dB。這些都說明擴散聲場中的聲壓不一定均勻。相反聲壓均勻的聲場也不一定就是擴散聲場。一個明顯的例子就是無限長均勻管道中的平面波,各處聲壓均勻。故決不能以聲壓均勻作為擴散聲場的特徵。

C.F.Eyring的混響時間公式是用統計聲學方法推導出來的,具有擴散聲場的理論假定。二次大戰前后,建筑聲學成為一門系統學科,并應用于建筑聲學的設計,在20世紀50年代,一方面有聲學設計成功的例子,如英國皇家節日音樂廳;另一方面發現即使到了最佳混響時間的設計之個,音持仍可能很不滿意。故出現了除最佳混響時間之外,去尋找決定廳堂音質的“第二參量”的研究熱潮。“聲場擴散”成為當熱門話題。

二、聲場擴散的概念

“聲場擴散”其實只是一個定性的習慣用語,稱不上是一個嚴格的科學術語。當時發現實際廳堂中的混響衰減曲線多數并不像統計聲學所預告的是直線式衰減,認為這是廳堂內聲場沒有“充分擴散”所致;為了改善音質,便要努力使“聲場擴散”。

二次大戰后一些新建的劇院,為容納更多觀眾,便加大廳堂寬度,且使大廳平面呈“鐘”形,即側牆與后牆往往是凹形的大弧面,致反射聲分佈很不均勻,即“擴散”很不好。僅觀一些古典劇院,如維也納金色大廳,橫向跨度不很大,樓層包廂多,有的還有一些較大的雕塑裝飾,對聲波有較多散射作用,使聲場“擴散”得好。

光學中,“毛玻璃”對可見光有很好的散射效果。聲學中,可聽聲的波長至少從幾米到幾厘米,要使在這麼寬的頻段內都有好看散射效果,這樣的聲散射體設計并不是件容易的事。

三、兩者的關系

其實即使廳堂內達到近似的“擴散聲場”條件,音質就好了嗎?答案是否定的,試想若在混響室內欣賞音樂,完全分辨不出音樂來自何方,聽音環境并不好。

前些年王季卿教授撰文論述“聲場擴散與廳堂音質”,指出20世紀50年代追求“聲場擴散”而研究的一些音質評價參量,都沒有得到預想的結果。60年代后在“雙耳聆聽”基礎上提出研究的一些評價參量,都不是從追求聲場擴散出發的,即并不要求在聽眾座位上來自所方向的聲強是機會均等的。如現今認為對音質有重要作用的是希望在座位上有足夠多的早期側向反射聲。M.Barron在方面做了較多實驗工作。在實踐中,M.R.Schroeder設計了用數論中二次剩馀系列構成不同不深度藻井的散射體;1986年美國加洲橙縣建成3000座的Segerfrom音樂廳,將大廳設計成“葡萄園”也(也可稱“梯口式)的4層結構,使每個區域的橫向跨度不很大,從而設計出有較多早期側向反射聲的側牆。廣州星海音樂廳也用此種“葡萄園”式的分層結構。

“聲揚擴散”曾是作為廳堂良好音質所要求的籠統的定性名詞,本身從未被嚴格地定量。進一步研究得到的一些對音質有一定作用的評價參量,相對而言,也不是與聲場擴散特別是聲場充分擴散相關聯的。在廳堂音質評價研究中,“聲場擴散”是一已過時的模糊概念。