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1、第7章 室内声学测量 第7章 室内声学测量 7.1 室内声学的基本概念室内声学的基本概念 7.2 厅堂音质的测量厅堂音质的测量 7.3 厅堂扩声特性的测量厅堂扩声特性的测量习题七习题七 第7章 室内声学测量 7.1 室内声学的基本概念室内声学的基本概念厅堂声场特性直接影响厅堂音质的好坏，各厅堂声场特性相差很大。有的厅堂开会讲话时语言清晰，演出时声音宏亮丰富，音乐悦耳动听；有的厅堂开会讲话时语言不清晰，演出时声音单调干涩。厅堂特性的最终鉴定取决于观众和演员的主观评价。作语言传输用的厅堂和作音乐传输用的厅堂其要求不尽相同。但国内绝大多数厅堂为语言、音乐兼用而成为所谓多功能厅堂。主观听音要求大致可归
2、结为以下几点：第7章 室内声学测量(1)要有合适的响度。语言和音乐均要求足够响，使它们远大于本底噪声，使听起来既不费力又不感到过份响而显得吵闹。(2)要有较高的清晰度。语言和音乐均有此要求，不过语言的要求要更高些。语言的清晰度常用语言音节“清晰度”表示。它是通过人发出若干单音节（汉字中一字一音），室内收听并记录，然后统计聆听者正确听到的音节占所发总音节的百分比数，该百分比数即代表该厅堂的音节清晰度。实验证明，音节清晰度在80%以上，就能满足人们的听音条件。第7章 室内声学测量(3)除清晰度要求外，还要有适当的混响及有益的反射声。有适当的混响及有益的反射声才能达到合适的声音丰满度，这主要是音乐的
3、要求。(4)要求在厅堂内各处听到的声音强弱基本一致，即声场分布均匀。厅堂体型应避免回声、聚焦等声缺陷。(5)无明显的噪声干扰。室内产生和室外侵入的连续噪声对听音乐者有防碍，特别是低频噪声会掩蔽语言和音乐，不连续的噪声会破坏室内宁静气氛，减低音节清晰度。第7章 室内声学测量 上述各点也是音质设计要达到的最终目标。为此，不仅要考虑厅堂的体型、内部吸声材料的配置等，而且扩声系统中扬声器的选择和安装也显得十分重要。为了减小顶棚的反射，并使大厅内声场尽量均匀，采用声柱往往是一种有效的手段。另外还要对与主观评价有联系的若干客观声学参数用仪器进行测量和调整，使其满足主观评价要求。本章将叙述诸如混响时间、频率
4、特性、扩声增益等方面的要求及其测量方法。第7章 室内声学测量 1.最佳混响时间最佳混响时间厅堂混响时间是决定厅堂音质优劣的最主要参数。混响时间过长，则前一个声音的余音会干扰、掩蔽后一个声音，使清晰度降低。音节清晰度随混响时间的增加而减小。但适当的混响时间能增强声音响度,有声音宏亮、圆润和唱歌音节清晰的感觉。特别是对于音乐，混响能使直达声和反射声融合起来，使听者产生一种和谐的感受，便演员感到能听见自己的声音，仿佛房间也在帮助他歌唱，这样便能增强演好的信心。这种音质改善的特征，称为声音的丰满度。若混响时间过短，演员会感到演唱吃力，听众会感到声音单调、干涩。第7章 室内声学测量 因此，对于不同用途以
5、及不同大小的厅堂，不同频率的声音各自存在一个最合适的混响时间，称为最佳混响时间。一般以500Hz的混响时间为准，因为它对评定房间的音质有一定代表性。图7-1列出了500Hz时各种用途房间的最佳混响时间与房间容积的关系，它是综合了不同资料而得出的经验曲线。图中，a为音乐厅的最佳混响时间曲线；b为歌剧院和音乐播音室的最佳混响时间曲线；c为演播厅和大教室的最佳混响时间曲线；d为电影院的最佳混响时间曲线。第7章 室内声学测量 图7-1最佳混响时间与容积关系第7章 室内声学测量 当然，只确定500Hz的混响时间是不够的，由于厅堂内吸声材料的吸声系数随频率而异，因此，各个频率的混响时间也各不相同。一般房间
6、以125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz六个频率的混响时间来表示某一房间的“频率特性”。根据经验，这些不同的混响时间应有适当的比例。对于音乐，为了提高丰满度，应使低频（150250Hz）混响时间为500Hz时的1.21.3倍，最多1.5倍。而对于语言，为提高清晰度，一般认为低频混响时间曲线保持平直为好。当然考虑到吸声材料低频效果差，低频的混响时间也可稍长一些。第7章 室内声学测量 高频段（20004000Hz）应与中频相同，但由于观众和空气对高频声吸收较强，很难达到此要求，故亦可允许高频混响时间略短于中频。至于多功能厅堂的混响时间，可用三种方法处理：第一种
7、为折中法，即将混响时间取在音乐和语言的中间，这是最常用的简便方法；第二种为可变混响时间法，即棚顶或壁面的吸声量可变，根据不同用途改变吸声系数能达到可变混响时间的目的，此法结构比较复杂，仅在特殊厅堂才使用；第三种为人工混响法，即在不同用途时加入适量的人工混响时间，此法常在较高级的厅堂中使用。第7章 室内声学测量 表表7-1 著名厅堂混响时间著名厅堂混响时间 第7章 室内声学测量 表表7-1 著名厅堂混响时间著名厅堂混响时间 第7章 室内声学测量 2.声场分布声场分布厅堂中各频段声波的能量分布应尽量均匀，即室内各点在该频段内的声压级起伏应相当小。一般认为厅堂满场时某频段声压级不均匀度在80%以上区
8、域范围内不大于2dB算是满意的，而在该频段，大厅全场声压级不均匀度希望不超过8dB。如果不满足此要求，则应予以调整。第7章 室内声学测量 3.频率响应频率响应厅堂频率响应除取决于放声系统的频率响应外，还与大厅声学特性有关。厅堂频率响应指厅堂某一位置上声压级与频率的关系，它也与厅堂音质好坏有联系。大量试验证明，厅堂频率响应的不均匀度在34dB以内是比较好的，如果出现的峰谷频带较宽，不均匀度大于上述数据，则可能使音色带有明显的缺陷。第7章 室内声学测量 4.传声增益和声反馈传声增益和声反馈声反馈是指讲话人的声音主要通过传声器扩大器扬声器传声器等的反复循环产生的结果。声反馈与扩声系统的指向特性和安置
9、、建造物的结构有关。当这种声反馈达到足够大时，扩声系统就会产生啸叫。值得指出的是，扩声系统中总是存在声反馈的，只是程度不同而已，采取措施只能尽量抑制和降低声反馈以防止啸叫现象，任何避免或消除声反馈的说法都是不确切的。第7章 室内声学测量 因此，扩声系统音量不能开大的根本原因是由声反馈导致啸叫而引起的。可以用扩声系统的“传声增益”来说明反馈程序。传声增益越高，扩声系统的功率潜力越可以发挥出来。传声增益能达到68dB就可以了。防止出现声反馈啸叫以提高传声增益的主要措施为：采用心形指向性传声器和指向性扬声器，使反馈给传声器的声音尽量小。例如声柱有强的垂直指向性，讲话人离传声器的距离不要太远，由此可降
10、低声反馈啸叫出现的可能。第三个措施则为避免扬声器、传声器频响出现明显峰值，尤其不能使二者峰值在同一频率附近。第7章 室内声学测量 5.噪声噪声 室内噪声对语言有掩蔽作用。虽然人能听清比噪声级低的声音，但毕竟十分费力。图7-2列出了（针对英语进行的测试）房间的音节清晰度、语言声级和本底噪声三者之间的关系。由图可知，本底噪声为0dB时，语言声压级达到40dB就能达到80%的音节清晰度；而当噪声级升至43dB时，同一语言声级的音节清晰度将下降到17%，如使音节清晰度回升到93%，则需将语言声级提高70dB。一般要求室内噪声级比语言声级低1520dB，当然这还与噪声的频率响应有关。第7章 室内声学测量
11、 图7-2室内噪声级语言声级与音节清晰度之间关系第7章 室内声学测量 室内噪声对音乐也有相当影响，但较之语言要稍好一点。室内噪声来自两个方面：一是室外环境噪声、通风机噪声和振动通过空气、固定结构传入室内；二是室内听众说话引起。后者是人为因素且有随机性，因此在测量中一般是相对前者而言。第7章 室内声学测量 6.室内扩声系统室内扩声系统室内扩声系统是厅堂声场的主要组成部分。有时好的扩声系统与厅堂配合不好，就不会有好的效果。但如果扩声系统本身质量低劣，就很难获得满意的厅堂音质。扩声系统的基本功能是将信号放大后向听众席均匀地辐射声能。由于厅堂播放时听众较多，服务面积很大，必须使用各种扬声器组合作适当布
12、置，以使所有听众区域获得均匀声场。室内扬声器的布置可分为集中系统、分区系统和分布系统三种。集中系统是最简单的放声系统，即把扬声器（组）集中装在一处；分区系统使用多个扬声器（组），每个扬声器向一个区域供声；分布系统则使用许多扬声器，它们均匀地装置在供声区域内，以获得均匀的声场。第7章 室内声学测量 扩声系统的声学要求为传输频率特性，它主要决定于扬声器系统。对扬声器系统的要求如下：(1)保证要求的声压级以及较小的声场不均匀度(最大允许值约为610dB)；(2)对于语言信号，室内放声系统应保证听众区的声压级为6874dB，对于音乐平均声压级可再提高510dB；(3)多个扬声器（组）产生的声场不应有回
13、声感觉。第7章 室内声学测量 表表7-2 放声系统的主要技术要求放声系统的主要技术要求 第7章 室内声学测量 7.2 厅堂音质的测量厅堂音质的测量 1.混响时间及频率特性的测量混响时间及频率特性的测量混响时间是描述所有类型厅堂声学特性最常用的物理量。国际上已把“会堂中混响时间测量”作为标准（ISO-3382）。测量混响时间主要是鉴定实测混响时间是否符合最佳设计值。测量分空场和满场两种情况。混响时间的测量框图如图7-3所示。由噪声发生器发出的粉红噪声经1/3倍频程带通滤波后，经调音台和功率放大器馈给置于厅堂内的扬声器系统使其发声。调节扩声系统输出，使被测点的信噪比至少达35dB（在满场情况下，低
14、频信噪比可以酌情减少）。在观众厅内预定测量点上进行测量，也可按图7-4所示使用舞台集中声源进行测量。第7章 室内声学测量 图7-3分散声源条件下混响时间的测量框图第7章 室内声学测量 图7-4集中声源条件下混响时间测量框图第7章 室内声学测量 当声源停止发声后，用电平记录仪记录声压级时间曲线并以此曲线量得混响时间T60。按倍频程或1/3倍频程取点（至少应为125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz六点）分别测量混响时间，即可得混响时间的频率特性。在实际测量中，最好选用无指向性的扬声器作声源，声信号经倍频程或1/3倍频程滤波。测量声源应放在实际声源（如舞台、讲台
15、等）附近，但也可以允许变换若干个位置（如乐池）。在混响时间很长的厅堂中（如1000Hz以下大于1.5s），声源也可用脉冲声。当利用脉冲声时，要注意高低频两端声压级足够高（高于本底噪声35dB以内）才能采用。第7章 室内声学测量 还应指出的是，厅堂内各点的混响时间是不同的，因此厅堂内的混响时间是指有效使用区域混响时间的平均值，测量时应注意选择有代表性的测量点进行测量，然后计算其平均值，或将各代表点测得的混响时间标注在厅堂座位平面图上以供使用。对混响时间及其频率特性的要求亦随厅堂用途及其体积大小、可容纳人数不同而异。国内典型厅堂的混响时间及其频率特性见表7-1。第7章 室内声学测量 2.声场分布的
16、测量声场分布的测量声场分布特性又称声场不均匀度，是指厅堂内各处声压级的不均匀性。声场分布的理想状态是各处声压级一致或相近，起码声压不要有太大的起伏。声场分布的测量按图7-5所示线路进行。测量是用1/3倍频程窄带粉红噪声信号激发无指向性扬声器，使厅堂中达到一定的声压级，声压级的大小至少应满足30dB信噪比的要求。测量信号的中心频率一般按倍频程取点，通常取125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz和4000Hz。在某一中心频率测量时，将测量传声器的位置移至所选择的各代表性测量点处以测量其声压级，作出座位平面的声压场布置图。各测量点中最高声压级与最低声压级之差即为该厅堂的声场不均
17、匀度。测出各中心频率的不均匀度，列表或画成曲线来表征该厅堂的不均匀度频率特性。第7章 室内声学测量 图7-5声场分布测量框图第7章 室内声学测量 在测量点选取时，在对称厅堂中，可选34行，它们是中间行走道，中左（或中右）一行及左行（或右行）走道为测量点，隔一排或两排选一测量点。测量声源应位于实际声源附近。第7章 室内声学测量 3.总噪声的测量总噪声的测量厅堂总噪声是指空场条件下，各种设备(例如通风、调温等产生噪声的设备)、扩声系统及可控硅调光系统等开启以及外界噪声干扰所形成的不需要的声音的总和。它是厅堂音质的重要方面，也是测量厅堂其他特性的基础。厅堂总噪声测量框图如7-6所示。图中置于舞台的传
18、声器用来接收噪声信号，经调音台、功率放大器馈给扬声器使其发声，扬声器所发出的声连同原本底噪声一起再被传声器接收、放大。测量传声器在选定的代表点接收总噪声，经声频频谱分析仪进行频谱分析后馈给电平记录仪记录。由于频谱分析仪与电平记录仪同步，因此实际记下的是该总噪声的频率特性曲线。该测量也可用声级计以A计权以获得总噪声级。第7章 室内声学测量 图7-6厅堂总噪声测量框图第7章 室内声学测量 测量代表点的选择可参考声场分布测量总的选取方法，如为对称厅堂，可按对称轴测量其一半，画出总噪声分布图。厅堂中各测量点中最大噪声级为该厅堂的总噪声级。在测量总噪声的同时，关闭扩声系统设备，按测量总噪声的测量方法测量
19、，可计算出本底噪声级。第7章 室内声学测量 7.3 厅堂扩声特性的测量厅堂扩声特性的测量 7.3.1 传输频率特性的测量传输频率特性的测量厅堂扩声系统的传输频率特性是指信号在扩声、放声过程中受厅堂电声特性影响后的频率响应。可用声输入法和电输入法两种方法进行测量。第7章 室内声学测量 1 声输入法声输入法声输入法测量厅堂扩声频率特性的线路如图7-7所示。粉红噪声发生器发出的粉红噪声信号经1/3倍频程滤波后经功率放大器馈给测量声源使其放声。声音由两只传声器接收，其中测量传声器接收后经测量放大器馈给粉红噪声信号发生器的压缩输入，以保持测量声源的输出声压的恒定；另一传声器（作为实用传声器）接收后经调音
20、台、功率放大器反馈给两路扬声器系统发声以形成室内声场。置于听众席的测量传声器将信号馈给电平记录仪记录所接收的声压值。将1/3倍频程滤波器与电平记录仪同步，随1/3倍频程滤波器在各中心频率的移动，电平记录仪在记录纸上记录出厅堂内声压频率响应曲线，该曲线即为厅堂扩声频率特性。第7章 室内声学测量 图7-7声输入法测量厅堂扩声频率特性线路图第7章 室内声学测量 测量时，听众席的测量传声器应距离地面1.11.2m，应使用无指向性传声器，调音台的输出应置于额定状态。测量时，首先关闭测量声源系统，调节扩声系统增益，使之达到最高可用增益(最高可用增益是指在所属厅堂内产生声反馈自激临界增益减去6dB时的增益)
21、。然后开启测量系统，将1/3倍频程粉红噪声加到测量声源上，调节测量系统输出，使被测点的信噪比达15dB以上。测量传声器与测量声源的距离规定如下：（1）对语言扩声时为0.5m；（2）对音乐扩声时为5m。第7章 室内声学测量 传声器应置于设计规定的使用点上，在设计规定的使用点不明时，传声器可置于舞台大幕线的中点。应该指出，在整个厅堂范围的听众席位置上，各处的扩声频率特性也有所差别，必要时，可选取有代表性的多个点进行测量。第7章 室内声学测量 2电输入法电输入法 图7-8电输入法测量厅堂扩声频率特性的线路图第7章 室内声学测量 本法较之声输入法可大大简化，主要取消了舞台上的测量声源和传声器，将粉红噪
22、声信号或模拟节目信号直接经调音台、功率放大器后馈给扬声器系统放声，用声级计进行点测。测量时扩声系统置于最高可用增益状态。1/3倍频程粉红噪声信号直接馈入扩声系统调音台输入端，调节噪声源的输出，使测量点的信噪比达到15dB以上。改变1/3倍频程滤波器的中心频率，保持各频段电平恒定，在听众席规定点上测量声压级。测量在传输频率范围内进行，测量信号的中心频率按1/3倍频程取点。第7章 室内声学测量 7.3.2 传声增益的测量传声增益的测量厅堂传声增益是指厅堂听众席的声压级与舞台传声器所接收的声压级之差，即该厅堂扩声能力。厅堂传声增益的测量线路如图7-9所示。图7-9厅堂传声增益的测量线路图第7章 室内
23、声学测量 测量系统声源置于舞台中心线上离台唇3m处，扩声系统传声器置于声源中心线上前0.5m处。测量信号将用1/3倍频程滤波器滤出窄带粉红噪声。调节测量系统输出，使在扩声系统传声器膜片上达到90dB声压级。调节调音控制台及功率放大增益，使扩声系统刚好处于声压反馈的临界点。然后降低调音控制台的增益使之比反馈临界点低6dB，以获得安全增益，用声压计在听众席上若干测量点上测量声压级。听众席上实测的声压级与扩声系统的传声器接收的90dB声压级之差即为传声增益。按1/3倍频程中心频率取点测出一组传声增益，成为传声增益频率关系曲线，即为传声增益频率特性。测量时，测量传声器应为无指向性传声器，在离地面2m处
24、进行测量。第7章 室内声学测量 7.3.3 反馈系数的测量反馈系数的测量在室内扩声系统中，作用到传声器上的信号除了直接来自扬声器外，尚有经室内表面反射的混响声。反馈声压在系统中所产生的相应电压与自然声加反馈声压所产生的总的相应的电压的比值称为反馈系数。反馈系数的测量线路如图7-10所示。第7章 室内声学测量 图7-10反馈系数的测量线路图第7章 室内声学测量 具体测量步骤如下：(1)关闭测量系统，调节扩声系统增益，使之达到最高可用增益。(2)接通测量系统，输出1/3倍频程粉红噪声信号，调节测量系统的输出，使测量点的信噪比不小于15dB。然后用声频电压表或测量放大器测量V点的电压U1（代表自然声
25、压加反馈声压）。(3)关闭测量系统，断开V点。在功率放大器输入电压为U1的1/3倍频程粉红噪声信号，然后用电压表测量调音台的输出电压U2（代表反馈电压）。U2与U1的比值即为反馈系数。测量时，测量声源、扩声系统传声器位置及指向性等均用传声增益测量方法。测量信号的中心频率按1/3倍频程中心频率取点。第7章 室内声学测量 7.3.4 最大声压级的测量最大声压级的测量最大声压级是指厅堂可获得的最大声压级。测量最大声压级可用电输入法和声输入法进行。1 电输入法电输入法（1）窄带噪声法。1/3倍频程粉红噪声信号直接送入扩声系统调音台输入端，扩声系统置于最高可用增益状态。调节噪声发生器输出，使扬声器系统的
26、输入电压相当于四分之一设计使用功率（当设计使用功率不明时可按额定功率计算）的电平值。在系统传输频率范围内，测出每一个1/3倍频程带声压级，加上6dB即为相应频带的最大声压级。然后将各声压级折算成声压值后进行算术平均再折算回声压级即为最大声压级。第7章 室内声学测量（2）宽带噪声法。宽带噪声法测量最大声压级的线路如图7-8所示，只是将1/3倍频程滤波器换为模拟节目信号网络。测量时，经过计权网络的模拟节目信号直接送入扩声系统调音台输入端，扬声器系统的功率调节同窄带噪声法。用声级计在厅堂内规定测量点上进行测量，把测得的值分别加上6dB，把各中心频率带的声压级折算成声压值后进行算术平均再折算回声压级即
27、为该厅堂折声系统最大声压级。第7章 室内声学测量 2 声输入法声输入法（1）窄带噪声法。窄带噪声法测量厅堂扩声系统最大声压级的线路如图7-5所示。测量时扩声系统置于最高可用增益状态。调节测量系统使舞台上设置的测量声源发出1/3倍频程粉红噪声信号，由传声器接收进入扩声系统。扬声器的功率调节及测量频率均同电输入窄带噪声法。在系统的传输频率范围内测出每一个1/3倍频带声压级，加上6dB获得相应频带的最大声压级，然后将各中心频率带的声压级折算成声压后加以算术平均再折算回声压级，即为被测厅堂扩声系统的最大声压级。第7章 室内声学测量（2）宽带噪声法。宽带噪声法测量厅堂扩声系统最大声压级的线路如图7-5所
28、示，只是将1/3倍频程带通滤波器换为模拟节目信号网络。测量时扩声系统置于最高可用增益状态。调节测量系统使测量声源发出模拟节目信号，经传声器接收进入扩声系统，扬声器系统的功率调节同电输入窄带噪声法。用声级计在厅堂内的规定测量点上进行测量，把测得的值分别加上6dB，将各中心频率带的声压级折算成声压值后进行算术平均再折算回声压级即为该厅堂的最大声压级。第7章 室内声学测量 上述四种测量最大声压级的方法都是可行的，测量时可根据情况任选一种，但在测量结果中应注明使用的是哪种方法。应该指出的是，厅堂中各点的最大声压级是不一样的，应该选取有代表性的几个点加以平均。选取测量点时，在对称厅堂中可任选34行，它们
29、是中间行走道、中左（或中右）一行走道以及左行（或右行）走道为测量点，隔一排或两排选一测量点。第7章 室内声学测量 7.3.5 系统失真的测量系统失真的测量系统失真是指扩声系统及其厅堂影响的非线性谐波失真。1 窄带噪声法窄带噪声法系统失真的测量线路如图7-11所示。图7-11系统失真测量线路图第7章 室内声学测量 中心频率为f的1/3倍频程粉红噪声信号Uf馈入扩声系统调音台输入端。调节扩声系统增益，使扬声器系统的输入电压相当于四分之一设计使用功率（当设计使用功率不明时可按额定功率计算）的电平值。在厅堂内的规定测量点上，通过测量传声器用声频频谱分析仪测量中心频率f、2f、3f的信号。按下式计算总谐
30、波失真系数：式中，k为总谐波系数，用百分数表示;Uf为基频电压，单位为V；U2f为二次谐波电压，单位为V；U3f为三次谐波电压，单位为V。第7章 室内声学测量 2 宽带噪声法宽带噪声法 图7-12宽带噪声法测量系统失真的线路图第7章 室内声学测量 经过计权网络的宽带噪声信号送入扩声系统调音台输入端。扩声系统的功率调节与用窄带法测量系统失真的步骤相同。利用1/4倍频程带通滤波器将从测量放大器接收到的信号按频段分别检出，以总声压信号为0dB作出总频谱图。然后，在输入端接入3/4倍频程带阻滤波器，使它与带通滤波器中心频率同步。利用有效值指示表检出由1/4倍频程带通滤波器所接收的相应阻频段的失真信号作成失真特性曲线。总频谱图与失真曲线的组合反映了非线性特性。第7章 室内声学测量 非线性失真的大小亦可用百分数表示。当测量由声输入到声输出的非线性畸变有困难（例如产生标准测量信号有困难或无条件在厅堂中提取声音的直达声信号）时，允许测量由电输入到声输出的非线性畸变作为系统的非线性失真，但应注明这是由电到声的失真。第7章 室内声学测量 习习 题题 七七 1.如何测定房间或厅堂的混响时间?2.如何用声输入法测定传输频率特性?3.简述传声增益、反馈系数的概念及其相互关系。4.对所在单位或部门的音乐厅堂进行声场分布的测量。