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与声场能量来一次对接:观众到底需要怎样的声场?

  在听力学的应用中,不管是听力检测还是助听评估等都需要在一个特定的环境中进行,这样才能获得比较准确的结果,这就需要我们在测听室中建立相对应的声场环境。

  简单来说,媒质中有声波存在的区域就是声场。声场可以有多种分类(自由场或扩散场),而现实中纯粹的自由场或扩散场是不存在的,多是不同性质的声场的组合。这主要介绍下:近场与远场; 自由场与消音室;混响场与混响室。

  1. 近场与远场

  当声源在自由空间辐射时,声源附近的声压和质点速度不同相的区域,称为近场。声源最大尺寸的一倍距离或声源发出的声音一个波长以内的区域,均涵盖在近场内。在近场中,由于声源不同部分辐射的声波到达接受点时其振幅和相位都不相同,因此声波的干涉会比较复杂,导致在声源附近出现了许多分布很密集的声压极大值和极小值。另外,在近场中声音循环传播,声压与距离二者之间没有特定的关系。

  当距离大于2倍声源的尺寸或大于两个波长时的位置,称为远场。越远离声源,声源可近似看作点声源,波阵面可近似看作平面波,此时距离与声压之间有特定的关系。

  明确近场与远场的概念十分重要,在实际测量中近场会出现声压幅值起伏的特征(声波干涉严重),所以,通常测试在远场进行。远场测试的结果与实际的效果相同。在测量声源的声压级时,通常的做法是测量跟声源表面1米处的声压级,而1米波长对应的声音频率为340Hz,也就是说测量1米处的声压级,对于大多数关键的频率成份来说,已处于远场中。

  由于声音是一个场量,除了声学测量必须在远场进行之外,某些声学测量必须在特定的声学环境中进行,例如自由场与混响场。因此,接下来我们讲讲常见的自由场与消音室,混响场与混响室。

  2. 自由场与消音室

  自由场是指声源在均匀、各向同性媒介中传播时,不计边界影响的声场,此时声场中只有直达场而没有反射声。实际上,只能做到反射声尽可能小,和直达声相比可以忽略不计。例如,声源悬浮于室外足够高的空间上,声源辐射的声波可以无阻碍地向四面八方传播,那么,此时,这样的声场就可认为是自由场。但实际上,声源是不可能悬浮于空中的,只能位于有限高度上,而地面认为是一个半径无限大的反射面,那么,把这样的声场称为半自由场,如声源位于室外空旷场所。在自由场的远场中,距离每增加一倍,声压级降低6dB,如下图所示。

  当测量靠近地面进行时,还需考虑声源与接收器之间的地面影响。例如声波沿地面传播时的声衰减与地面的性质及其覆盖物有关,厚草地对声波的衰减约为20dB/100m。因此,声压测量时,测量位置都要求有一定的高度。常规的高度是1.2米(人坐立时耳朵高度)或1.5米(人站立时耳朵高度)。

  因此,为了模拟自由场的声学环境,人们建立了全消声室。为了使室内建立自由声场,房间六个表面都应该铺设吸声系数特别大的材料,比较常用的是尖劈和复合材料,要求在使用的频率范围内的吸声系数大于0.99。全消音室地面上也需要铺设吸声材料,因此,在地面的吸声材料之上应该装设水平的钢蝇网,以便放置试件并能在房间内起动。

  在全消音室,声音传播如同在自由场中,几乎无反射。但通常高频声音比低频更有效,这是因为消音室可用的最低频率取决于房间体积和尖劈长度,如安装1-2米尖劈的大房间有效的低频可达100Hz。对于要求严格避免反射干扰的测量,必须在全消音室内进行,如测量声功率、测量声源的指向性等。通常,全消音室在学术研究性质的单位偏好使用,因为可排除地板反射造成的影响,对待测声源可做较为精确的计算与预测。

  与半自由场相对应的消音室是半消音室,即地面作为反射面,不铺设吸声材料,而其他五个面铺设吸声材料。通常用于模拟现实的情况,如汽车行驶在路面,那么路面就是一个大的反射面,如下图所示为带转毂的半消音室。在工程行业,如机械、汽车,电子等行业通常使用半消音室。在半消音室常见的测量有声功率、TPA和通过噪声等。

  3. 混响场与混响室

  在讲叙混响场之前,先让我们明白一下扩散场的概念。直达声与混响声相等的距离称为扩散距离,也称为混响半径,距离大于扩散距离的声场称为扩散场,通常声音在室内传播时才具有这种特性。扩散场内,空间各点的声强强度几乎相等,从每个方向到达某一点声能流的概率相同,并且各个方向到达的声波相位是无规则的。如果想避免直达声的影响,那么测量的传声器与声源的距离应该大于扩散场距离。

  混响场有两种含义:一种是指扩散场;另一种是指声源在室内稳定地辐射声波时,室内声场中离声源某个距离外混响声比较均匀的区域。具有扩散场的实验室就是混响室,它的吸声很小,混响时间很长,室内声波经过多次反射形成声能分布均匀的房间。在混响场中,不同位置的声压级几乎是恒定的。

  混响室由坚硬的墙、天花板和地板构成,这些表面具有强反射性,并且墙面不平行,常采用不规则形状房间或边长成调和级数比的矩形房间,如下图所示。混响室的混响时间的上限在高频取决于空气的声吸收,在低频取决于壁面的声吸收。通常,在混响室内低频段时,对宽带噪声的频响表现出来一些峰值为房间的声模态;在高频段,各个模态开始叠加,声模态反而不明显了。为了保证房间在低频更均衡,经常使用低频吸声单元和旋转的扩散器,如下图中天花板上吊挂的装置。

  在混响室可以测量声功率、材料的吸声系数、声音的传递损失等。一间混响室作为声源室,一间消音室作为接收室,即可用来测量墙壁、门窗或汽车前围板等结构的隔声特性。下图所示为测量汽车前围板的隔声效果,在混响室内放置12面体积声源,在一面墙壁上开孔用于安装待测件,在另一消音室测量透射声,用于评价前围板的隔声效果。

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