擴(kuò)散聲場與聲場擴(kuò)散的概念及兩者之間的關(guān)系

2017-05-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、擴(kuò)散聲場的概念

擴(kuò)散聲場是在聲學(xué)原理中有理論定義的一種理想聲場,在《聲學(xué)名詞術(shù)語》中釋為“能量密度均勻,在各個(gè)傳播方向作無規(guī)分佈的聲場”。它包含:

擴(kuò)散聲場中各點(diǎn)聲能密度均勻;
來自各個(gè)方向到達(dá)某點(diǎn)的聲強(qiáng)近似相等;
來自各個(gè)方向到達(dá)某點(diǎn)聲波的相位無規(guī)。

在實(shí)驗(yàn)中,人們可用混呼室來建立接近于擴(kuò)散聲場的實(shí)驗(yàn)條件:在簡正模式重疊數(shù)較大的“高頻”,在聲源近場區(qū)外,基本可達(dá)到上述擴(kuò)散聲場的理論條件。

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必須指出,這里所說的聲能密度均勻不等于聲壓級(jí)均勻。聲能包括功能和勢(shì)能,聲壓只代表勢(shì)能。P.E.Doak理論計(jì)算了在擴(kuò)散聲場假定下,單頻激發(fā)時(shí)擴(kuò)散聲場中各點(diǎn)聲壓級(jí)平均值的標(biāo)淮偏差為5.57dB。

另外H.G.Andres,D.Lubmann證明頻帶雜訊激發(fā)時(shí),擴(kuò)散聲場中各類聲壓級(jí)平均值的標(biāo)淮偏差與帶寬和混響時(shí)間乘積的平方根成反比。更早些時(shí)間R.V.Waterhouse計(jì)算了封閉空間中介面處的干涉圖形:相對(duì)于中間平均值而言,剛性介面上的聲壓級(jí)高3Db,棱線上高6dB,頂角上高9dB。這些都說明擴(kuò)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(kuò)散聲場。一個(gè)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(kuò)散聲場的特徵。

C.F.Eyring的混響時(shí)間公式是用統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法推導(dǎo)出來的,具有擴(kuò)散聲場的理論假定。二次大戰(zhàn)前后,建筑聲學(xué)成為一門系統(tǒng)學(xué)科,并應(yīng)用于建筑聲學(xué)的設(shè)計(jì),在20世紀(jì)50年代,一方面有聲學(xué)設(shè)計(jì)成功的例子,如英國皇家節(jié)日音樂廳;另一方面發(fā)現(xiàn)即使到了最佳混響時(shí)間的設(shè)計(jì)之個(gè),音持仍可能很不滿意。故出現(xiàn)了除最佳混響時(shí)間之外,去尋找決定廳堂音質(zhì)的“第二參量”的研究熱潮。“聲場擴(kuò)散”成為當(dāng)熱門話題。

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二、聲場擴(kuò)散的概念

“聲場擴(kuò)散”其實(shí)只是一個(gè)定性的習(xí)慣用語,稱不上是一個(gè)嚴(yán)格的科學(xué)術(shù)語。當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際廳堂中的混響衰減曲線多數(shù)并不像統(tǒng)計(jì)聲學(xué)所預(yù)告的是直線式衰減,認(rèn)為這是廳堂內(nèi)聲場沒有“充分?jǐn)U散”所致;為了改善音質(zhì),便要努力使“聲場擴(kuò)散”。

二次大戰(zhàn)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(cè)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(kuò)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(duì)聲波有較多散射作用,使聲場“擴(kuò)散”得好。

光學(xué)中,“毛玻璃”對(duì)可見光有很好的散射效果。聲學(xué)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(nèi)都有好看散射效果,這樣的聲散射體設(shè)計(jì)并不是件容易的事。

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三、兩者的關(guān)系

其實(shí)即使廳堂內(nèi)達(dá)到近似的“擴(kuò)散聲場”條件,音質(zhì)就好了嗎?答案是否定的,試想若在混響室內(nèi)欣賞音樂,完全分辨不出音樂來自何方,聽音環(huán)境并不好。

前些年王季卿教授撰文論述“聲場擴(kuò)散與廳堂音質(zhì)”,指出20世紀(jì)50年代追求“聲場擴(kuò)散”而研究的一些音質(zhì)評(píng)價(jià)參量,都沒有得到預(yù)想的結(jié)果。60年代后在“雙耳聆聽”基礎(chǔ)上提出研究的一些評(píng)價(jià)參量,都不是從追求聲場擴(kuò)散出發(fā)的,即并不要求在聽眾座位上來自所方向的聲強(qiáng)是機(jī)會(huì)均等的。如現(xiàn)今認(rèn)為對(duì)音質(zhì)有重要作用的是希望在座位上有足夠多的早期側(cè)向反射聲。M.Barron在方面做了較多實(shí)驗(yàn)工作。在實(shí)踐中,M.R.Schroeder設(shè)計(jì)了用數(shù)論中二次剩馀系列構(gòu)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(shè)計(jì)成“葡萄園”也(也可稱“梯口式)的4層結(jié)構(gòu),使每個(gè)區(qū)域的橫向跨度不很大,從而設(shè)計(jì)出有較多早期側(cè)向反射聲的側(cè)牆。廣州星海音樂廳也用此種“葡萄園”式的分層結(jié)構(gòu)。

“聲揚(yáng)擴(kuò)散”曾是作為廳堂良好音質(zhì)所要求的籠統(tǒng)的定性名詞,本身從未被嚴(yán)格地定量。進(jìn)一步研究得到的一些對(duì)音質(zhì)有一定作用的評(píng)價(jià)參量,相對(duì)而言,也不是與聲場擴(kuò)散特別是聲場充分?jǐn)U散相關(guān)聯(lián)的。在廳堂音質(zhì)評(píng)價(jià)研究中,“聲場擴(kuò)散”是一已過時(shí)的模糊概念。