空間聲音與迴響時間

聲音壓力波通常會以所有方向從來源發射。此圖為這些波形可能的幾個路徑。聲波會反射表面,並產生具有較低聲能的波形。這種能量損耗是因為聲音波反射的表面物質成分造成的。某些波形能量會被材料吸收,有些能量會透過材料傳輸,而其他能量則會反射回原始空間。這會導致音壓在空間中衰減,因為波形反射自許多表面。這樣的聲音壓力衰減,對空間的聲音品質而言相當重要。如果房間的用途是語音或通訊,聲音壓力就必須快速降低,才能讓語音保持易懂。想像一下,在圖中,在像是集區這樣的空間中進行演講的人,難以理解的難度有多大。



現在,假設有一個大型音樂表演場。在這個空間中,聲音壓力快速衰減並不理想,而是緩慢衰減。如此一來即可產生相當完整的聲音,進而補充音樂內容,並透過直接的聲音讓觀眾聚焦在其中。殘響聲音的存在讓音樂家能夠營造極具動態化之演奏，足以充盈整個音樂廳，為聽眾帶來深刻之戲劇體驗。

空間殘響聲音衰減時間可能需要根據用途修正。量測此時間的標準稱為殘響時間。迴響時間是指空間內的聲音壓力衰減至 60 分貝 (或原始能量位準的百萬分之一) 所需時間長度,可透過方程式進行估計 *T = 0.049V/A T 是迴響時間 (以秒為單位),若要將這段時間設為觀點,則講堂內的迴響時間約為 0.6 秒到演唱廳內的 1.5 -2 秒。V 代表體積 (以平方英呎為單位),A 則為等效吸收面積 (以平方英呎為單位)。如方程式所示，在沒有吸音的房間中，T 會趨近於無限，但實際上，所有表面都會吸收一定量的聲音能量，進而產生有限的殘響時間。在圖表中,您可以看到在發生的脈衝時所測得的聲音壓力衰減情形。這樣的干擾衰減 60 dB 所需的時間 T，就是空間的殘響時間。

假設這個體積的空間採用不同的材料,每個體積在體積的兩側都會吸收不同的音能量。無限反射定義為反映所有聲音波的表面,無限吸收則定義為所有聲音都會被吸收的表面。舉例來說,如果將聲音來源放置在該立體內,則將讓聲音壓力逃脫的開孔區域會有無限的吸收。您可以將等效吸收區域想像為無限吸收的區域,可以取代由有限量吸收物質組成的區域。方塊各側的等效吸收值表示為 A = Sa,其中「a」代表材質的吸收係數,而「S」則為材質的 ft^2 面積。稍後會列出一些常見的吸收係數。只要將空間中所有表面間的等效吸收值加總,即可得出方塊的整體等效吸收。總結所有體積表面的等效吸收量後,即可得出上方體積的面積等同於 2 公尺的張開。



無限吸收的 1 ft^2 定義為吸收單位。因此,上述的立體包含 2 個吸收單位。

下表列舉某些常見建材的吸收係數值。這些值介於 0 到 1 之間。如果表面是完美的反射器,它會有 0 的係數。大理石是非常好的反射器範例，吸音係數非常接近 0。可完全吸收聲音能的材質 (例如泡沫絕緣材質) 的吸收係數較接近 1。在考量空間中使用的各種材料時,您可以想起吸收係數的差異。舉例來說,相較於以混凝土為主的游泳池,與以紡膜和地毯為主的辦公空間或圖書館,環境雜訊差異為何?請注意,這些係數的數值取決於聲音來源的頻率。舉例來說,如果材質暴露在高頻調音下,可能會吸收不同的聲音能量,而非人類語音中的相對較低頻率。

假設會議室內建有地毯地板、濕牆屋頂與牆壁。室內的語音解讀能力非常差,因此需要採取一些措施來修正問題。該房間主要是以地毯底座的濕牆構成。使用反射時間與吸收方程式,以及更完整的吸收係數表,即可估算出空間的反射時間。不過,為了取得更準確的回饋時間基準,我們需要在空間中進行一些量測。

在此案例中,我們選擇了 LabVIEW Sound and Vibration Toolkit 與 PXI Sound and Vibration Module,以使用高電壓電極,在數位觸發上產生火花進行脈衝測試。其他技巧則包含發射槍、激發氣球或直接敲擊手掌。訊號源位於揚聲器通常居住的室內前方。接著在空間中多處使用麥克風，以在接收到來自觸發源的觸發訊號後，擷取該擾動之響應。接著使用 PXI 聲音與振動模組將訊號數位化,再傳送至 PC 進行處理。接著我們就可以計算聲音壓力衰減 60 dB 的時間。脈衝測試可針對空間品質提供大量資訊。在此案例中,我們使用資料來量測空間的反射時間,但脈衝測試也可找出有問題的反射或反射不足,必須對其進行補償。

收集資料後,我們會定義聲音壓力與原始脈衝比 60 dB 下降的點。為了從 PXI 聲音與振動模組取得數位化資料,我們使用 DAQmx Read 函式。此資料可供處理之後,我們使用 SVL Scale Voltage to EU 函式將電壓調整為巴斯卡 (Pa),並使用原生 LabVIEW 函式與 SVT Leq Sound Level VI 量測音位降 60 dB 的所需時間。

使用脈衝測試方法,我們發現測試室的迴響時間約為 1.15 秒。我們認為,這次時間太長,無法滿足預定用途。現在我們可以嘗試設計空間,以提供更愉快的回饋時間。使用通用公式表示反射時間 T = 0.049V/A,且實驗室體積為 3600 ft^3,即可得出實驗室的等效吸收面積為 153 ft^2。為達到更理想的振動時間約為 0.6 秒,我們發現,我們需要將室內等效吸收量提高至 294 個單位。

有些房間必須仰賴天花板反射,才能將聲音投放至遠端的空間,因此在考慮放置聲音材料時,通常會避免使用天花板。不過在我們的會議室中,聆聽者大多會仰賴來自來源的直接聲音,不需要天花板反射才能清楚地聽見來源。另外,請記住,會議台是另一條表面,能讓聽者在整個房間看到聲音。因此,我們選擇在天花板上放置材質,讓牆壁保持不變。為了增加吸收範圍,我們必須選擇具有較大吸收係數的材質,相較於目前所存在的凝土層。因此,我們選擇的常見材質如天花板,其吸收係數為 0.68 @ 1000 Hz。以上列舉一些其他在補償房間反射響應不佳時必須考慮的考量。

當中新增了 300 ft^2 的孔射式松子纖維,因此,實驗室的總等效吸收面積為 345 ft^2。此數字超過早期計算的 294 個標章,可確保語音可理解性。現在我們已修改了空間,以利縮短反射時間,必須再進行另一項量測。在金屬框架上加入 300 英呎 2 個孔射式松子纖維 1」後,反射時間只有 T = 0.61 秒。這次時間非常適合客房的用途。請記住,聲音設計並非完整的科學。由於我們添加的吸收材料比預期更多,因此我們預期反射時間會比此更短。另一個要記住的因素是,增加掉落天花板後,我們也改變了房間的幾何形狀,這也影響了房間對相同脈衝的反應。



迴響時間是指空間內的聲音壓力衰減至 60 dB,或降至原始能量百萬分之一的所需時間,以協助預測或設計具有所需迴響響應的空間。迴響時間是透過收集響應至脈衝的整個空間內的資料來量測。透過 NI 軟硬體,即可輕鬆進行迴轉時間測試。使用 PXI 聲音與振動模組 之類的工具,即可取得空間的脈衝響應,並使用 LabVIEW 與 聲音與振動工具組,在軟體中計算迴響時間。