空间声学和混响时间

声压波通常从声源向各个方向发射。下图是这些声波可能经过的一些路径。声波从物体表面反射并产生一个声能减弱的合成波。这种能量损失是由于反射声波的表面的材料成分造成的。声波的部分能量被材料吸收，部分能量经过材料继续传输，而剩余的能量被反弹回声源空间。当声波从多个表面反射时，就会导致空间中的声压衰减。声压的衰减可能成为影响空间声学质量的一个非常重要的因素。如果房间的用途是演讲或交流，则需要声压快速衰减以保持语音的可辨识度。试想一下，如果下图是一个泳池，要听清某人讲话该是多么困难。



现在让我们设想一个大型音乐表演厅。在这个空间中，我们不需要声压快速衰减，而希望它缓慢衰减。这样可以创造出非常饱满的声音，与音乐相得益彰，配合听众专注听到的直接的声音，人声和乐器音色会更令人愉悦。混响声音的存在使音乐家能够呈现充满活力的演出，让声音充满整个音乐厅，为观众打造戏剧般的体验。

空间中混响衰减的时间长度可能需要根据空间的用途进行调整。测量该时间的标准称为混响时间。混响时间定义为空间中的声压衰减60分贝或原始能量水平的百万分之一所需的时间，可用等式近似表示为*T=0.049V/A。T是单位为秒的混响时间，从这个角度来看，混响时间的范围可能0.6秒（教室）到1.5 -2秒（音乐厅）不等。V是以立方英尺为单位的空间体积，而A是以平方英尺为单位的等效吸收面积。从等式中可以看出，在没有吸收的房间中，T会趋于无穷大，但是实际上所有表面都会吸收一定量的声能，从而产生一定的混响时间。在下图中，您可以看到一个脉冲在to时的实测声压衰减。该干扰衰减60 dB所需的时间T就是该空间的混响时间。

想象一个空间，例如下方这个由不同材料构成的立方体，立方体的每一面吸收不同量的声能。无限反射的定义是一个表面能反射所有声波，而无限吸收的定义则是一个表面能吸收所有声音。如果在该立方体内部放置一个声源，那么立方体中的开口面会让声压逸出，该面为无限吸收。可以将立方体的等效吸收面积视为无限吸收的面积，该面积可以抵消由有限吸收材料组成的立方体的面积。立方体每个面的等效吸收面积为A = Sa，其中“a”是材料的吸收系数，“S”是材料的面积，单位为ft^2。后文会列出部分常见的吸收系数。立方体的总等效吸收面积可通过对空间所有表面的等效吸收面积求和得出。如果我们将立方体所有表面的等效吸收面积相加，可以看到这个立方体的等效吸收面积相当于一个2平方英尺的开口。



一平方英尺的无限吸收面积定义为一个吸收单位。因此，上面的立方体包含2个吸收单位。

下表列出了一些常见建筑材料的吸收系数值。这些值的范围是0到1。如果一个表面是理想反射体，则其系数为0。大理石是非常好的反射体，因此它的吸收系数非常接近0。能完全吸收声能的材料（如泡沫绝缘材料）的吸收系数接近1。因此，考虑空间中使用的材料的多样性时，需要考虑吸收系数的差异。例如，想象一下主要覆盖物是混凝土的泳池与铺有石膏板和地毯的办公室或图书馆的环境噪声差异。需要注意的是，这些系数的值取决于它们所承受的声源的频率。例如，比起人类语言中相对较低的频率，如果材料暴露在高频声调中，其吸收的声音能量可能会有所不同。

设想一个铺有地毯的会议室，它有石膏板天花板和墙壁。房间内的语音清晰度非常差，需要采取一些措施来解决这个问题。考虑到房间主要由石膏板建造，铺有地毯，通过混响时间和吸收等式以及更完整的吸收系数表，我们可以估算空间的混响时间。但是，为了获得更准确的混响时间基线数字，我们需要在空间中进行一些测量。

在本例中，我们选择了LabVIEW Sound and Vibration工具包和PXI声音和振动模块，使用高压电极进行脉冲测试，该电极可在数字触发时产生火花。其他测试声源还包括枪声、气球爆炸或只是大声拍手。声源位于房间的前面，通常是讲话者所在的位置。然后，在整个空间中使用麦克风来收集收到声源触发后的干扰响应。接下来，信号通过PXI声音和振动模块进行数字化处理，再发送至PC进行处理。然后即可计算声压衰减60 dB的时间。脉冲测试可提供有关空间质量的大量信息。在本例中我们使用数据来测量空间的混响时间，但是，脉冲测试也可以识别有问题的反射或需要补偿的欠反射。

收集数据后，我们定义声压从原始脉冲下降60 dB的那个点。为了从PXI声音和振动模块中检索经数字化的数据，我们使用了DAQmx Read函数。数据可用于处理后，我们使用SVL Scale Voltage to EU函数将电压换算为帕斯卡(Pa)，并使用LabVIEW原生函数和SVT Leq Sound Level VI测量了声压下降60 dB所需的时间。

使用脉冲方法进行测试后，我们发现房间的混响时间约为1.15秒。正如我们所怀疑的，这个时间对于房间的预期用途来说太长了。我们现在可以尝试设计一个让空间的混响时间更令人满意的方案。通过混响时间T = 0.049V/A的通用公式以及房间体积为3600 ft^3的信息，我们可以知道房间的等效吸收面积为153 ft^2。为了获得更理想的0.6秒左右的混响时间，我们发现需要将房间的等效吸收面积增加到大约294个单位。

一些房间依靠天花板反射将声音投射到空间的远处，因此在考虑铺设吸声材料时通常会避免在天花板上铺设。然而在这个会议室中，听众主要依赖声源的直接声音，不需要天花板反射即可清楚地听到声源。另外别忘了，会议桌也是向整个房间的听众反射声音的另一个表面。因此，我们选择在天花板上铺设材料以保持墙壁的美观。为了增加吸收面积，我们必须选择吸收系数大于现有石膏板的材料。因此，我们选择了天花板砖这类常见的材料，它的吸收系数为0.68 @ 1000 Hz。下面列出了在对混响响应不佳的房间进行补偿时必须考虑的其他一些因素。

我们增铺了300 ft^2的甘蔗纤维板，使房间的总理论等效吸收面积达到345 ft^2。该数字超过了之前计算的294个单位，应可确保语音清晰度。既然我们改装了空间以获得更短的混响时间，那么必须再作一次测量。在金属框架上增加300 ft^2的1英寸甘蔗纤维板后，可将混响时间缩短至T = 0.61秒。这个时间与房间的用途非常匹配。请记住，声学设计并不能只看数字。考虑到我们增加的吸收材料比计算值更多，预计实际混响时间会比这个更短。另一个需要记住的因素是，通过增加吊顶，我们还改变了房间的几何形状，这会切实影响房间对同样脉冲的响应。



混响时间是指空间中的声压衰减60 dB或原始能量的百万分之一所需的时间。吸收系数用于帮助预测混响时间或设计具有所需混响时间的空间。混响时间是通过收集整个空间对脉冲的响应数据测得的。混响时间测试可使用NI硬件和软件进行简单测量。可使用PXI声音和振动模块等工具来采集空间的脉冲响应，然后使用LabVIEW和Sound and Vibration工具包在软件中计算混响时间。