室内声场理论及声压级、混响时间计算

室内声场理论及声压级、混响时间计算
一、室内声场理论
1 声音在室内的传播
声音在房间室内传播时，不但遵循室外大气中传播的规律，还会被房间天花、地面、墙面反射回来，声源不断发声时，入射声波与反射声波相叠加，形成复杂的室内声场。

大的平表面会象镜面一样反射声音，而且入射角等于反射角。

内凹型的表面会聚拢声音，形成声聚焦。

外秃的表面能够使将声音发散，形成扩散。

当房间表面起伏不平，而且起伏尺寸接近或小于声音波长时，声音入射后将不会形成定向反射，而是向各个方向无规则地反射，形成扩散。

就象光，表面平整的镜子能够反射出人像，这是镜面反射的结果，如果使用磨石将镜子磨毛，将成为乌玻璃，就是因为玻璃表面出现坑凹不平，尺寸与光的波长接近，形成光散射，各个角度都能看到入射的光，玻璃变得“发乌”了。

声音入射到房间表面一部分能量进入材料内部，一部分能量穿透材料到对面空间，这种能量损失的过程是吸声。

完全没有吸声的房间被称为理想混响室，如果在里面拍一下掌，声音将不断反射，在无限时间内回响。

现实情况下不存在这种房间，墙壁坚硬且光滑的房间混响时间很长，接近混响室，房间中声音会加强，接近混响室的房间中噪声比在一般房间内可能高15dB。

声音完全没有反射的房间被称为理想消声室，房间中只有声源的直达声，这样的声场叫做“自由场”。

在自由场中，距点声源距离增大一倍，声压级严格下降6dB。

现实情况下也不存在理想消声室，对房间进行强吸声
处理可以近似看作消声室，因房间中只有直达声，声压级比普通房间可以降低10dB。

2 室内混响
2.1 直达声与混响声
声源发出的直接到达的声音是直达声，直达声总是最先到达人耳，这是因为直达声比反射声的声程短。

除了直达声以外，反射的声音形成了混响声，使室内声压级增加。

直达声只与声源强度有关，声源功率越大，直达声声压级越大，如果需要降低直达声，唯一的方法是使声源安静下来。

房间地面上立有阻挡直达声的屏障时，反射声会从天花反射过来，使屏障的隔声能力下降，如果天花吸声，减弱了反射声能量，屏障的降噪效果能够提高。

在房间天花和墙壁上安装吸声材料可以吸收反射产生的混响声，吸声量每增加一倍，混响声可以降低3dB。

一般来讲，混响声对房间噪声的贡献为15dB，因此，采用吸声最多可以获得15dB 减噪效果。

2.2 混响时间
描述房间混响效果的指标是混响时间，它是室内声源停止发声后，声压级衰减60dB 所经历的时间，单位是秒。

室内吸声与频率有关，因此，不同频率的混响时间不同。

在减噪设计中需要正确地应用吸声材料，降低混响时间，降低噪声。

混响时间与室内吸声存在数学关系，即塞宾公式：α⨯⋅=S V
T 161.0 ，其中
T 是混响时间，V 是房间体积，S 是房间墙面的总表面积，是房间表面的平均吸声系数（即房间各种吸声材料吸声系数与面积乘积的和再除以总表面积）。

由塞宾公式可以看出，房间体积越大混响时间越长；平均吸声系数越
大，混响时间越短。

体积巨大的空间，如果不进行吸声处理的话，混响时间会很长，使房间噪声增加。

混响时间计算公式是建立在理想扩散声场条件下的，与实际情况会有±10~15%的误差，因此，在降噪工程中不能完全依赖计算求得混响时间，必须使用测量的方法准确地获得房间的混响时间，并进行降噪设计和计算。

估算混响时间的不准确性可能会导致3~5dB的降噪误差。

二、声压级
声压级以符号SPL表示，其定义为将待测声压有效值p(e)与参考声压p(ref)的比值取常用对数，再乘以20，即:SPL=20LOG(10)[p(e)/p(ref)]其单位是分贝。

在空气中参考声压p(ref)一般取为2*10E-5帕，这个数值是正常人耳对1千赫声音刚刚能觉察其存在的声压值，也就是1千赫声音的可听阈声压。

一般讲，低于这一声压值，人耳就再也不能觉察出这个声音的存在了。

显然该可听阈声压的声压级即为零分贝。

评价某一点的声压级，是指该点的声压与参考声压的比值取常用对数再乘以20的值，度量它的单位是分贝，符号为dB。

参考声压是2×10-5巴，相当于1000Hz纯音的听阈。

假如某一处的声压比参考声压大100倍，那么它们的比值就是100，取常用对数再乘以20，则该处的声压级为40dB。

同理，假如某一处的声压比参考声压大100000倍，那么它们的比值就是100000，取常用对数再乘以20，则该处的声压级为100dB。

从这两个例子可以看出，声压与参考声压的
比值从100倍变为100000倍，增加了1000倍，用声压级表示仅增加了60dB，可见用声压级表示声音的大小，比采用声压来表示要简单的多。

采用分贝(dB）来表达声学量值的主要原因，是由于人体听觉系统对声音强弱刺激的反应不是按线性(即逐渐加大）的规律变化的，而是成对数比例关系变化的，所以采用对数的分贝值可以适应听觉本身的特点。

其次，日常生活中遇到的声音，若以声压值表示，变动范围是很宽的，当用对数换算后，就可以大为缩小声压的变化范围(从数值上看)，因此用分贝来表示声学的量值是科学的。

声压级习惯上常流行的符号为SPL，但目前国际上采用推荐的符号为Lp。

声压级是反映声音的大小、强弱的最基本参量。

日常生活中，普通办公室的环境噪声的声压级大约50~60dB，普通对话声的声压级大约65~70dB，纺织厂织布车间噪声的声压级大约110~120dB，小口径炮产生噪声的声压级大约130~140dB，大型喷气飞机噪声的声压级大约150~160dB。