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厅堂混响时间的新型测量方法简介

未知2014-01-09打印

一、前言

  混响时间反映了室内声能的衰变快慢,它是由100多年前美国物理学家赛宾提出的,指的是当声源在房间内停止发声后,残余声能在房间内往复反射,其密度衰变60dB所需的时间,如图1所示。我们可以通过赛宾公式对混响时间进行计算,由此可见混响时间和建筑物的体积V,房间吸声材料的平均吸声系数,以及房间的表面积S有关。而在建筑建造完成之后通常需要对其进行现场测量,作为房间的实际混响时间来衡量。目前大部分混响时间测量依然遵照“GB-J 76-1984 厅堂混响时间测量规范”来进行的,随着科技的发展目前国际上有了新的测量混响时间的方法,本文对该混响时间测量原理、测量案例等方面进行了简要介绍,以起到抛砖引玉的作用。

图1 混响时间

  二、测量原理

  目前国内标准中常用的混响时间测量方法是噪声截断法,由于现场测量环境信噪比的约束,在实际的工程测量中噪声截断法,通常选择衰减曲线-5dB到-35dB所对应的时间来计算房间混响时间的用T30表示。这种测量方法要求信号源的声压级要高于噪声45dB以上,对实际测量环境要求较高。而脉冲响应积分法是由施罗德最先提出来的,其公式表达如下:

  其中S(t)为稳态噪声的声压衰减函数,尖括号表示群体平均r(x)为被测房间的脉冲声响应N表示谱密度。它表示的是声压衰减曲线的总体平均与脉冲响应平方在时间上的积分相等,即衰减开始后t时刻的响应总体平均与脉冲响应的平方从t到的积分相等,也就是说我们可以利用脉冲响应平方的积分来获得一条相当于很多衰减曲线平均的声压级衰减曲线,通过这条曲线可以较为方便的计算出声压衰减曲线从而获得混响时间。

  由于噪声截断法测量混响时间的种种限制,目前通常混响时间的测量方法为脉冲响应积分法。获得脉冲响应的方法很多,例如拍手掌、扎气球、电火花等,为了获得更好的信噪比,通常我们会通过发出白噪声或扫频信号,通过信号处理中的反卷积方法来获得,信噪比高的脉冲响应。即将播放的声音信号作为声学系统的输入信号,记为x(n,通过房间内测试点话筒接收到的声音信号作为房间系统的输出,记为y(n,它们与房间脉冲响应(h(n)有如下关系:

yn= xn* hn

  在频域则有:

H(k)=Y(k)/X(k)

  根据傅里叶反变换即可得到房间脉冲响应:h(n=IFFT[H(k)],即通过信号源发声体激励房间,并通过测量点记录到信号,即可计算该房间的脉冲响应。

  三、测量步骤

  通过上面我们对混响时间的了解,利用脉冲响应积分法进行测量,其系统可分为声源、测试话筒、测量软件三部分,如图2所示,为脉冲响应积分法测量混响时间的测试系统图。声音信号通过电脑经声卡由正十二面体点声源扬声器发出,通过对房间的激励在测量点由测量话筒记录到电脑,经专业测试软件进行数字信号处理,最终获得混响时间。为了更好地激励房间的声学特性,通常测量时对声源及话筒有一定的要求,其中扬声器的指向性应尽可能接近全指向,且可以提供足够的声压级来满足声压衰减的动态要求,同时对于测量话筒来说振膜越小越好,最大直径不能超过26mm。

图2 测量系统框图

图3 扫频信号

  图3为扫频信号,作为房间激励的噪声信号,频率为20Hz-20KHz时长为10s,通过该信号与自身的卷积可以获得脉冲信号,如图4所示,从图中可以看出经计算得出的脉冲响应上升沿陡峭,比直接利用电火花或者扎气球等方法获得的脉冲响应频带宽且信噪比高。

图4 卷积后的脉冲信号

图5 测量话筒记录扫频信号

  图5为话筒在测试点实际记录的扫频信号波形,我们从中可以看出不同频率在该点的振幅不同,并通过与原始扫频信号的反卷积获得冲击响应波形,如图6所示,前两个小波峰是由于算法问题导致的不影响我们对房间冲击响应做出判断,只要关注最大的那个脉冲就是房间的脉冲响应。通过计算可以获得房间的声压衰减平均曲线如图7所示,声压从0.58s的位置开始衰减,最终获得的混响时间如表1所示,不但可以获得混响时间T20、T30的参数,同时还可以计算得到C50、C80、EDT等众多声学技术参数,如图8所示为房间混响时间,其混响时间从125Hz-4000Hz基本在0.35s附近,且房间的混响时间较为平直。

图6 房间脉冲响应

图7 声压衰减曲线

表1 房间声学参数

图8 房间混响时间曲线

  四、测量实例分析

  为了充分反应厅堂混响时间,通常话筒测量点需要拥有一定的要求,即测量话筒距反射面的距离应在测量频率最小半波长以外,且为了减少声源直达声对测量结果的影响,测量点不能太靠近声源,其最小距离,其中V为房间体积,C为声速,T是预估混响时间。

  对于话筒测量点数量方面,通常需要寻找房间里具有代表性的观众位置,特别是靠近墙面座位或者包厢的下面,话筒高度距地面通常在1.2米左右,此高度与大部分观众坐下时耳朵距地面高度相同。对于工程噪声为目的的混响时间测量,话筒测量点可以在观众区域中心附近布置相对较少的三到四个点即可。若是对于厅堂混响设计为目的的测量,通常要根据房间声学环境的复杂程度,选择一定数量具有代表性的测量点。同时对于声源的发声位置来说也要根据厅堂日常使用的情况来进行变更,通常放置在日常经常发声的位置,类似舞台、乐池等位置,针对不同的发声位置和使用目的进行灵活布点。如图9所示,首先测量了用户反应较为不理想的区域,例如录音棚内测试点1-5,同时为了反映整个录音棚的平均声学特征,在测量时另外增加了测试点6-7点。其次对控制室录音师位置以及房间中心位置进行测量,以获得控制室的混响时间频域特征。

图9 话筒测试点分布图

  通过测量录音棚的混响时间曲线如图10所示,从图中可以看出房间在2000Hz-4000Hz之间混响时间较短,分别为0.3S和0.18S,同时在125Hz及250Hz的混响时间也相对较短,分别为0.3S及0.4S,在中频500Hz、1000Hz有着相对较多的混响时间。从整体上看该房间的混响时间特性存在一定的问题主要表现在高频吸声过多,中频混响时间过于突出,势必影响到主观的听觉感受,其本底噪声在关灯及关门的情况下测得为35.5dBA。

图10录音棚平均混响时间曲线

  图11为录音棚内各个测试点的混响时间曲线,从整体来看7条曲线整体趋势基本相同的,特别是在2000Hz-4000Hz之间有着非常接近的曲线拟合。其中测试点7在500Hz偏离较大,主要原因可能在于测试点门及谱架等反射面形成的低频驻波所引起的共振。

图11录音棚混响时间曲线

  图12为控制室混响时间曲线测量结果,相对于录音棚来说较为平直,主要混响时间在0.35S-0.4S之间,只有250Hz混响时间低于0.3s,可能是由于房间内家具共振吸声或者是房间低频吸声控制产生的问题。

图12 控制室平均混响时间曲线

图13录音棚控制室混响时间曲线

  图13为控制室两个测试点的混响时间曲线,从图中可以看出调音台录音师位置的混响时间曲线较为平直,主要集中在0.3-0.35s附近,只是在125Hz附近有0.42s的混响时间,可能是隔声窗的反射面共振所致。而在控制室中心位置高频混响时间较高,中低频部分与测试点1类似,而高频部分相对较高,有可能为房间内家具及柜子玻璃的反射面所致,原因需要进一步排除才能确定。

  从测量结果的整体来看控制室声学环境较录音棚内部较好,特别是测试点1的位置。而录音棚内部声学存在问题较多主要集中在混响时间的频率特性不够平直,为在房间内声音的拾取带来了较大的声音染色机会。同时房间各频段的混响时间大部分在0.5s以下偏干,特别是在2KHZ-4KHZ之间平均混响时间仅有0.25s左右,是500Hz左右混响时间的一半,其混响时间波动较大。

图14 不同厅堂的最佳混响时间

  房间的混响时间不但和房间的容积有关,同时也与房间的使用功能有着密不可分的关系。如图14所示,为不同类型的厅堂500Hz推荐最佳混响时间,横坐标为房间的容积,纵坐标为500Hz混响时间,从图可以看出当房间体积越大时,推荐混响时间是不断提高的。对于语言类播音室、会议室来说为了提高其语言清晰度,通常需要较短的混响时间。对于音乐用途的建筑,例如音乐厅、歌剧院、音乐播音室等来说,在相同房间容积的条件下要有更大的混响时间。对于本次测量房间其容积在140立方左右,故对于语言类播音室来讲0.4S左右的混响时间是较为合适的。故通过对该录音棚房间的测量,可以看出混响时间曲线的不平直是其最大的问题,我们可以通过在房间墙面及天花等处增加二次余数(QRD)扩散体或其它扩散板的措施来减少高频吸收,同时提高其声场的均匀分布。同时在房间的四个角落放置低频吸声结构体(低频陷阱角位扩散体),从而控制中低频的混响时间,降低室内低频共振对声学环境的破坏。

  五、小结

  通过以上对新型混响时间测量方法的介绍,可以看出它的最大优越性在于测量系统简便性以及较低的测量环境要求。较为简便的混响时间测量方法对于工程实践来说无疑是一件好事,同时通过该方法我们不但可以获得混响时间数据,同时也获得了厅堂清晰度C50、C80、EDT等有效的反应厅堂音质的客观参数,为厅堂声学环境提供了更加丰富的数据依据,为将来更好改善厅堂音质做出贡献。

来源:科讯广电网

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