扩散声场与声场扩散的概念及两者之间的关系

2017-05-04 by:CAE仿真在线来源:互联网

一、扩散声场的概念

扩散声场是在声学原理中有理论定义的一种理想声场,在《声学名词术语》中释为“能量密度均匀,在各个传播方向作无规分佈的声场”。它包含:

扩散声场中各点声能密度均匀;
来自各个方向到达某点的声强近似相等;
来自各个方向到达某点声波的相位无规。

在实验中,人们可用混呼室来建立接近于扩散声场的实验条件:在简正模式重叠数较大的“高频”,在声源近场区外,基本可达到上述扩散声场的理论条件。

必须指出,这里所说的声能密度均匀不等于声压级均匀。声能包括功能和势能,声压只代表势能。P.E.Doak理论计算了在扩散声场假定下,单频激发时扩散声场中各点声压级平均值的标淮偏差为5.57dB。

另外H.G.Andres,D.Lubmann证明频带杂讯激发时,扩散声场中各类声压级平均值的标淮偏差与带宽和混响时间乘积的平方根成反比。更早些时间R.V.Waterhouse计算了封闭空间中介面处的干涉图形:相对于中间平均值而言,刚性介面上的声压级高3Db,棱线上高6dB,顶角上高9dB。这些都说明扩散声场中的声压不一定均匀。相反声压均匀的声场也不一定就是扩散声场。一个明显的例子就是无限长均匀管道中的平面波,各处声压均匀。故决不能以声压均匀作为扩散声场的特徵。

C.F.Eyring的混响时间公式是用统计声学方法推导出来的,具有扩散声场的理论假定。二次大战前后,建筑声学成为一门系统学科,并应用于建筑声学的设计,在20世纪50年代,一方面有声学设计成功的例子,如英国皇家节日音乐厅;另一方面发现即使到了最佳混响时间的设计之个,音持仍可能很不满意。故出现了除最佳混响时间之外,去寻找决定厅堂音质的“第二参量”的研究热潮。“声场扩散”成为当热门话题。

二、声场扩散的概念

“声场扩散”其实只是一个定性的习惯用语,称不上是一个严格的科学术语。当时发现实际厅堂中的混响衰减曲线多数并不像统计声学所预告的是直线式衰减,认为这是厅堂内声场没有“充分扩散”所致;为了改善音质,便要努力使“声场扩散”。

二次大战后一些新建的剧院,为容纳更多观众,便加大厅堂宽度,且使大厅平面呈“钟”形,即侧牆与后牆往往是凹形的大弧面,致反射声分佈很不均匀,即“扩散”很不好。仅观一些古典剧院,如维也纳金色大厅,横向跨度不很大,楼层包厢多,有的还有一些较大的雕塑装饰,对声波有较多散射作用,使声场“扩散”得好。

光学中,“毛玻璃”对可见光有很好的散射效果。声学中,可听声的波长至少从几米到几厘米,要使在这麽宽的频段内都有好看散射效果,这样的声散射体设计并不是件容易的事。

三、两者的关系

其实即使厅堂内达到近似的“扩散声场”条件,音质就好了吗?答案是否定的,试想若在混响室内欣赏音乐,完全分辨不出音乐来自何方,听音环境并不好。

前些年王季卿教授撰文论述“声场扩散与厅堂音质”,指出20世纪50年代追求“声场扩散”而研究的一些音质评价参量,都没有得到预想的结果。60年代后在“双耳聆听”基础上提出研究的一些评价参量,都不是从追求声场扩散出发的,即并不要求在听众座位上来自所方向的声强是机会均等的。如现今认为对音质有重要作用的是希望在座位上有足够多的早期侧向反射声。M.Barron在方面做了较多实验工作。在实践中,M.R.Schroeder设计了用数论中二次剩馀系列构成不同不深度藻井的散射体;1986年美国加洲橙县建成3000座的Segerfrom音乐厅,将大厅设计成“葡萄园”也(也可称“梯口式)的4层结构,使每个区域的横向跨度不很大,从而设计出有较多早期侧向反射声的侧牆。广州星海音乐厅也用此种“葡萄园”式的分层结构。

“声扬扩散”曾是作为厅堂良好音质所要求的笼统的定性名词,本身从未被严格地定量。进一步研究得到的一些对音质有一定作用的评价参量,相对而言,也不是与声场扩散特别是声场充分扩散相关联的。在厅堂音质评价研究中,“声场扩散”是一已过时的模糊概念。