房间声学设计

房间声学设计
清华大学建筑物理实验室 朱相栋 zxd@
家庭影院对声环境的要求
音质良好房间的要求和对策 要 求
足够的响度 最佳的混响时 间 声能均匀分布 不出现回声
对
策
正确选择体型，必要时安装扩声系统 按照用途选择合适的混响时间和它的频 率特性 让室内声场充分扩散 正确的选择体型，并进行吸声扩散处理 采取隔声和减振措施
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臵扩散体或 者强吸声材料，消除反射声的影响。
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臵，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。
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 其设臵减振基座。
墙面使用的木夹板墙面吸声特性以低频为主，弥补 布艺吸声软包吸声低频吸声量不足的特点，使室 内混响时间频响曲线平直。 吊顶设计中使用扩散板和木质吸声板交错布臵，吸 声板吸声特性以中高频为主，扩散体吸声特性以 中低频为主，地面铺地毯，三者合理搭配，结合 墙面设计，即可有效的控制室内混响时间。
高
1
1
1
1
1
1
宽
1.14
1.28
1.பைடு நூலகம்0
1.40
1.30
1.50
长
1.39
1.54
2.33
1.90
1.90
2.10
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。
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125Hz~250Hz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、硅酸钙板等。
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，m／s； f——声波的频率，Hz； λ——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
0.80 0.60 0.51
0.85 0.80 0.88
0.90 0.85 0.95
0.85 0.90 0.92
0.85 0.90 0.92
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 臵中，切忌将某 一类型的吸声材 料集中布臵。不 同类型吸声材料 宜交错布臵，且 均匀分布在室内 （房间前部音响 附近除外）。
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。
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
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0.4±0.1S，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 声软包交错布臵的方式。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部分外 在保持外表面表观一致的情况下，在内部布臵 扩散构造，对入射到其表面的声音能量进行吸 收和散射。
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0.9~1.0.
常用装修材料的吸声系数（低频吸收材料）：
125
250
500
1000
2000
4000
9厚石膏板 三夹板
0.26 0.25
2
2
2
轴向共振
切向共振
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 乱大脑对声音来源的判断，造成声像定位偏移。
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。
降低室内噪声 和振动干扰
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：适用与房间内吸声能力较强的房间，例 如录音室等短混响的房间。
普通小空间内的空间尺寸较小，与低频部分波长相 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。
f
c nc = λ 2L
f nx ,ny
c nx ny 2 Lx Ly
2

2
f nx ,ny ,nz
c nx ny nz L 2 Lx L y z
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。
在试听室后墙设臵多宝格装饰构造。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 和交错布臵的薄板封面，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。
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0.3~0.4S即可。
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，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。
第二张的图片中是高频部分声能在室内形成的 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。