空间声学分析：确定混响时间所需的测量和分析

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为了确定空间或房间对声音的作用，需要进行空间声学分析。混响时间测量是通过分析声音强度衰减，描述空间声学的一个方式。本文详细介绍了确定混响时间所需的测量和分析。

1. 混响声音
声音压力波通常从一个源向所有方向发出。图中是声波可能传播的一些路径。声波在表面反射后将会产生带有较少能量的声波。能量损失取决于声波反射表面的物质组成。声波的部分能量被表面物质吸收，一部分透过物质传播，剩下的能量反射回声波所来自的空间。因此在声波在多个表面反射之后，空间中的声波压力逐渐减弱。

声波压力的减弱是空间声学特性的重要因素。如果房间是为了演讲或交流而设计的，声音压力要求能够较快衰减从而让语音能够清晰。可以想象一下在图中所示的空间中讲话将会多么难以让人理解。

现在，考虑一个大型音乐表演大厅。在这个空间中如果声音压力衰减过快则是不理想的，它需要慢速衰减。这可以让声音变得饱满从而提高音乐的效果，并且可以让听众关注的声音变得更为好听。混响声音的存在让音乐家能够创造十分动感的演奏，能够让音乐充满整个大厅并且获得非凡的听众体验。

2. 混响时间

空间中混响声音衰减所需的时间，可能需要根据使用的空间进行修正。测量这个时间的标准被称作混响时间。混响时间定义为声音压力在空间中衰减60分贝所需的时间，即衰减至初始能量等级的百万分之一，可以用等式T=0.049V/A来近似。

其中T为用秒表示的混响时间，为了有一定的认识，混响时间的范围从教室约0.6秒到音乐大厅的1.5-2秒之间变化。V是用立方英尺表示的空间体积，A是平方英尺的等效吸收面积。正如可以从等式中观察的一样，如果房间没有吸收，T将会为无穷大，但是实际上所有表面都回吸收一些声音能量，所以会得到有限的混响时间。在图表中，您可以看到在时间t0发生脉冲的被测声音压力衰减。扰动衰减60分贝所需的时间T也就是空间的混响时间。

3. 等效吸收面积
想象有一个空间，其表面由不同的物质构成，其立体表面的每一个面吸收的声音能量不同。无限反射定义为将所有声波发射回去的表面，而无限吸收定义为将所有声波吸收的表面。

举例而言，如果在这个立体空间中有一个声源，立体空间表面的开口区域允许声音离开，所以是无限吸收。立体的等效吸收面积是将吸收量有限材料构建的面积用无限吸收的材料替换之后的面积。立体每个面的等效吸收面积表示为A=Sa，其中a是材料吸收系数，S是用平方英尺表示的材料面积。

一些常见吸收系数将在后面列出。立方体的总等效吸收面积等于空间所有表面等效吸收面积的总和。如果我们将立方体所有表面的等效吸收面积相加就可以得到上述立方体等效于2平方英尺的开放区域。

一平方英尺的无限吸收面积定义为一个吸收单位。因此上述立方体包含两个吸收单位。

Equivalent Absorption Area：
A=2ft2=2Units

4. 常见吸收系数
下表是一些常见建筑材料的吸收系数值。数值从0到1之间变化。如果一个表面是完美的反射表面，其系数为0。大理石是很好的反射表面，其反射系数十分接近于0。完全吸收声音能量的材料(例如泡沫隔音材料)具有接近于1的吸收系数。考虑到空间中使用不同的材料，您可以了解其吸收系数也是不同的。

举例而言，考虑以下两者环境噪音的不同，主要用混凝土建造的水池和用石墙、地毯建造的办公空间或图书馆。需要注意的一点是这些系数随着声源频率的不同而不同。例如，一种材料相比频率较低的语音而言，对于高频声音，可能会吸收更多声音能量。

5. 典型应用
考虑用地毯覆盖地板，用石墙构建天花板和墙壁的会议室。在这个房间中要辨别语音十分困难，需要采取一些措施以便解决这个问题。这个房间主要是用带有地毯地板的石墙构建的。用混响时间和吸收面积以及更完整的吸收系数表格，我们可以估计这个空间的混响时间。但是，要获得混响时间更为精确的数值，我们需要在这个空间中进行一些测量。

6. 混响测试
在这个实例中，我们选择LabVIEW声音与振动工具包和NI4472，通过高电压极所产生的火花来实现数字触发，并完成脉冲测试。还用到其他方法，包括开枪、弄破气球或只是重重地拍手。

声源放置在房间的前方，也就是发言者通常所在的地方。在房间的各处放置麦克风，在得到声源触发之后，收集扰动响应。然后用4472对声音进行数字化，送到PC进行处理。我们可以计算声压衰减60dB所需的时间。脉冲测试能够给出关于空间质量的大量信息。

在这个实例中，我们使用数据测量空间的混响时间，而脉冲测试还可以找出存在问题的声音反射或是必须进行补偿的反射损失。

7. 数据处理
在收集数据之后，我们定义声压从初始脉冲衰减60dB的点。我们使用DAQmx读取功能从4472获取数字化的数据。在数据可以用于处理之后，我们使用SVL转换电压至EU功能将电压转换为帕斯卡(Pa)，使用本地LabVIEW函数和SVT Leq声音等级VI，测量声音级别衰减60 dB所需的时间。

8. 设计修正
使用测试脉冲法，我们确定了房间的混响时间约为1.5秒。正如我们所怀疑的一样，混响时间相对于房间的使用目的而言过长。我们现在试图设计空间从而得到较好的混响时间。利用混响时间通用公式T= 0.049V/A以及房间的容积为3600立方英尺，我们可以知道房间的等效吸收面积为153平方英尺。要获得约为0.6秒的理想混响时间，我们发现需要将房间的等效吸收面积提高大约294个单位。

Existing Space：

Modified Space：

9. 设计考虑

一些房间依靠天花板反射，将声音投射到空间较远的地方，因此通常在考虑声音材料布置的时候避免改动天花板。但是在我们的会议室中，听众通常依靠来自声源的直接声音传播，而无需借助天花板反射听清声源的声音。请记住，会议室的桌子可以作为向室内的所有听众反射声源的另一个表面。因此我们选择在天花板布置材料，而避免修改墙壁。

为了提高吸收面积，我们必须选择比现存的石墙吸收系数更高的材料。因此选择了例如吊顶砖的常用材料，它具有1000 Hz下0.68的吸收系数。上面列出了一些其他的考虑事项，在对混响时间进行补偿时需要考虑。

*Acoustic Material Placement

*Acoustic Material Selection

*Object teflections

*Satisfactory Sound Intensity

*Parallel Walls

10. 验证和总结
我们添加了300平方英尺的穿孔纤维，将房间的总理论等效吸收面积提高到345平方英尺。这个数字已经超过了之前计算的294平方英尺，因此可以确保语音可以辨别。现在我们修改了这个空间，获得了更小的混响时间，所以必须进行另一次测量。在金属框上添加300平方英尺的穿孔纤维将共响时间调整到T= 0.61秒。这个时间是房间用途的理想数值。

请记住声学设计并不完全是科学。我们原来期望混响时间会比这个数字更小，因为我们添加了比计算所需更多的吸收材料。另一个要记住的因素是我们通过添加吊顶，改变了房间的几何形状，这将会影响房间如何对同样的脉冲进行响应。

混响时间是空间中的声压衰减60dB(即初始能量百万分之一)所需的时间。我们用吸收系数预测或设计空间的期望混响时间。混响时间是通过收集脉冲响应空间的数据测量的。混响时间测试可以通过使用NI硬件和软件进行简化。空间的脉冲响应可是使用例如4472进行采集，混响时间可以使用LabVIEW和声音与振动工具包进行软件计算。

本文来源于National Instruments网站（ni.com）技术白皮书栏目