耳朵的亲密接触——声场与声音的万缕关系

2018-7-17 11:05| 发布者: weixin| 查看: 896| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 本文给大家科普近场与远场、自由场与消音室、混响场与混响室。

　　一个怎样的声场才适合自己最切实的听觉需求?声场到底是怎样影响声音表达的呢?

　　在听力学的应用中，不管是听力检测还是助听评估，都需要在一个特定的环境中进行，才能获得比较准确的结果，这就需要我们在测听室中建立相对应的声场环境。也就是说，要得到优质的声音体验，一个优秀的声场设计必不可少。简单来说，媒质中有声波存在的区域就是声场。声场可以有多种分类(自由场或扩散场)，而现实中纯粹的自由场或扩散场是不存在的，多是不同性质的声场的组合。这就要给大家科普：近场与远场、自由场与消音室、混响场与混响室。

　　1. 近场与远场
　　当声源在自由空间辐射时，声源附近的声压和质点速度不同相的区域，称为近场。声源最大尺寸的一倍距离或声源发出的声音一个波长以内的区域，均涵盖在近场内。在近场中，由于声源不同部分辐射的声波到达接受点时其振幅和相位都不相同，因此声波的干涉会比较复杂，导致在声源附近出现了许多分布很密集的声压极大值和极小值。另外，在近场中声音循环传播，声压与距离二者之间没有特定的关系。

　　当距离大于2倍声源的尺寸或大于两个波长时的位置，称为远场。越远离声源，声源可近似看作点声源，波阵面可近似看作平面波，此时距离与声压之间有特定的关系。

　　明确近场与远场的概念十分重要。在实际测量中，近场会出现声压幅值起伏的特征(声波干涉严重)，所以通常测试在远场进行。远场测试的结果与实际的效果相同。在测量声源的声压级时，通常的做法是测量跟声源表面1米处的声压级，而1米波长对应的声音频率为340Hz，也就是说测量1米处的声压级，对于大多数关键的频率成份来说，已处于远场中。

　　由于声音是一个场量，除了声学测量必须在远场进行之外，某些声学测量必须在特定的声学环境中进行，例如自由场与混响场。因此，接下来科普一下常见的自由场与消音室，混响场与混响室。

　　2. 自由场与消音室
　　自由场是指声源在均匀、各向同性媒介中传播时，不计边界影响的声场，此时声场中只有直达场而没有反射声。实际上，只能做到反射声尽可能小，和直达声相比可以忽略不计。例如，声源悬浮于室外足够高的空间上，声源辐射的声波可以无阻碍地向四面八方传播，那么，此时这样的声场就可认为是自由场。但实际上，声源是不可能悬浮于空中的，只能位于有限高度上，而地面认为是一个半径无限大的反射面，那么，把这样的声场称为半自由场，如声源位于室外空旷场所。在自由场的远场中，距离每增加一倍，声压级降低6dB，如下图所示。

　　当测量靠近地面进行时，还需考虑声源与接收器之间的地面影响。例如：声波沿地面传播时的声衰减与地面的性质及其覆盖物有关，厚草地对声波的衰减约为20dB/100m。因此，声压测量时，测量位置都要求有一定的高度。常规的高度是1.2米(人坐立时耳朵高度)或1.5米(人站立时耳朵高度)。

　　因此，为了模拟自由场的声学环境，人们建立了全消声室。为了使室内建立自由声场，房间六个表面都应该铺设吸声系数特别大的材料，比较常用的是尖劈和复合材料，要求在使用的频率范围内的吸声系数大于0.99。全消音室地面上也需要铺设吸声材料，因此，在地面的吸声材料之上应该装设水平的钢蝇网，以便放置试件并能在房间内起动。

　　在全消音室，声音传播如同在自由场中，几乎无反射。但通常高频声音比低频更有效，这是因为消音室可用的最低频率取决于房间体积和尖劈长度，如安装1-2米尖劈的大房间有效的低频可达100Hz。对于要求严格避免反射干扰的测量，必须在全消音室内进行，如测量声功率、测量声源的指向性等。通常，全消音室在学术研究性质的单位偏好使用，因为可排除地板反射造成的影响，对待测声源可做较为精确的计算与预测。

　　与半自由场相对应的消音室是半消音室，即地面作为反射面，不铺设吸声材料，而其他五个面铺设吸声材料。通常用于模拟现实的情况，如汽车行驶在路面，那么路面就是一个大的反射面，如下图所示为带转毂的半消音室。在工程行业，如机械、汽车，电子等行业通常使用半消音室。在半消音室常见的测量有声功率、TPA和通过噪声等。

　　3. 混响场与混响室
　　在讲叙混响场之前，先让我们明白一下扩散场的概念。直达声与混响声相等的距离称为扩散距离，也称为混响半径。距离大于扩散距离的声场称为扩散场，通常声音在室内传播时才具有这种特性。扩散场内，空间各点的声强强度几乎相等，从每个方向到达某一点声能流的概率相同，并且各个方向到达的声波相位是无规则的。如果想避免直达声的影响，那么测量的传声器与声源的距离应该大于扩散场距离。

　　混响场有两种含义：一种是指扩散场;另一种是指声源在室内稳定地辐射声波时，室内声场中离声源某个距离外混响声比较均匀的区域。具有扩散场的实验室就是混响室，它的吸声很小，混响时间很长，室内声波经过多次反射形成声能分布均匀的房间。在混响场中，不同位置的声压级几乎是恒定的。

　　混响室由坚硬的墙、天花板和地板构成，这些表面具有强反射性，并且墙面不平行，常采用不规则形状房间或边长成调和级数比的矩形房间，如图所示。混响室的混响时间的上限在高频取决于空气的声吸收，在低频取决于壁面的声吸收。通常，在混响室内低频段时，对宽带噪声的频响表现出来一些峰值为房间的声模态;在高频段，各个模态开始叠加，声模态反而不明显了。为了保证房间在低频更均衡，经常使用低频吸声单元和旋转的扩散器，如下图中天花板上吊挂的装置。

　　在混响室可以测量声功率、材料的吸声系数、声音的传递损失等。一间混响室作为声源室，一间消音室作为接收室，即可用来测量墙壁、门窗或汽车前围板等结构的隔声特性。

　　来源：灵特电子科技有限公司公众号(ID：cn_lingte)

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