第六講室內(nèi)擴(kuò)聲(1)

1、第六章第六章 室內(nèi)擴(kuò)聲室內(nèi)擴(kuò)聲 室內(nèi)擴(kuò)聲與室外擴(kuò)聲不同，涉及室內(nèi)聲學(xué)的許多專門問(wèn)題，包括像室內(nèi)天花板、墻壁、地板等的回聲和混響、周圍噪聲和建筑物本身的聲特性等。第一節(jié)第一節(jié) 聲反饋與潛在聲增益聲反饋與潛在聲增益l如果把包括傳聲器、放大器、揚(yáng)聲器組成的擴(kuò)聲系統(tǒng)放在室內(nèi)，往往會(huì)引起嘯叫。這是因?yàn)楫?dāng)一個(gè)人對(duì)著傳聲器講話時(shí)，傳聲器不但接受了講話者的直達(dá)聲，而且還接受了揚(yáng)聲器發(fā)出的聲及反射聲。l我們用下面方法得到平衡，即由揚(yáng)聲器在傳聲器產(chǎn)生的聲壓級(jí)絕不能超過(guò)講話者在沒(méi)有持續(xù)振蕩時(shí)產(chǎn)生的聲壓級(jí)。換句話說(shuō)，我們假設(shè)正反饋峰值的多余增益正好被負(fù)反饋谷值損耗抵消掉了。l從1969年博納(R.E.Boner)發(fā)表

2、了論文“音響系統(tǒng)的增益”以后，找到了計(jì)算音響系統(tǒng)的潛增益方法，此方法因此成為現(xiàn)代聲學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論。l博納提出的優(yōu)化系統(tǒng)的幾何形狀準(zhǔn)則是這樣的：傳聲器靠近講話人，以接受傳聲器靠近講話人，以接受講話者的直達(dá)聲；使傳聲器離揚(yáng)聲器有足夠遠(yuǎn)的距離，并處于揚(yáng)聲器的混響講話者的直達(dá)聲；使傳聲器離揚(yáng)聲器有足夠遠(yuǎn)的距離，并處于揚(yáng)聲器的混響聲場(chǎng)中，從揚(yáng)聲器來(lái)的直達(dá)聲不是引起系統(tǒng)反饋的主要因素。假如聽(tīng)音者也聲場(chǎng)中，從揚(yáng)聲器來(lái)的直達(dá)聲不是引起系統(tǒng)反饋的主要因素。假如聽(tīng)音者也在揚(yáng)聲器的混響聲場(chǎng)中，就會(huì)使聽(tīng)音區(qū)域的聲壓級(jí)在擴(kuò)聲系統(tǒng)工作時(shí)不大于在揚(yáng)聲器的混響聲場(chǎng)中，就會(huì)使聽(tīng)音區(qū)域的聲壓級(jí)在擴(kuò)聲系統(tǒng)工作時(shí)不大于擴(kuò)聲系關(guān)

3、閉時(shí)在傳聲器位置講話人的聲壓級(jí)。擴(kuò)聲系關(guān)閉時(shí)在傳聲器位置講話人的聲壓級(jí)。l使用博納的系統(tǒng)增益概念，最大增益對(duì)應(yīng)于單位的值， 即=1.l(定義為在擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)傳聲器處的聲壓級(jí)與擴(kuò)聲系統(tǒng)開啟時(shí)聽(tīng)眾區(qū)域的聲壓級(jí)之差的分貝值) 。l雖然我們討論了最大可能增益，但是在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)比1大的情況。（1）使用有指向性傳聲器就可以另外增加3dB4dB的增益。（2）把聽(tīng)音位置安排在揚(yáng)聲器的直接聲場(chǎng)中，允許進(jìn)一步增加系統(tǒng)的增益。（3）如果講話區(qū)域混響場(chǎng)聲壓級(jí)低于聽(tīng)音區(qū)域的混響聲場(chǎng)聲壓級(jí)，也會(huì)再增加系統(tǒng)增益。也就是傳聲器區(qū)域的房間常數(shù)與聽(tīng)音區(qū)域的房間常數(shù)不同，類似的房間可以是大面積、低天花板、強(qiáng)吸收的房間內(nèi)。在

4、這樣的房間中我們可以見(jiàn)到：從點(diǎn)聲源發(fā)出的聲音在Dc以外趨向衰減，衰減率是距離增加一倍衰減2dB3dB。（4）其他增加增益的方法是利用窄頻帶濾波器分別抑制各正反饋頻率。 一般情況下，將增益調(diào)節(jié)到聲波不產(chǎn)生持續(xù)振蕩以前，要留有余量。調(diào)節(jié)到比最大增益低6dB。然而，即使精心調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使用窄帶濾波器，仍難以使增益調(diào)節(jié)到低于臨界值3dB 以上。第二節(jié)第二節(jié) 小房間的聲場(chǎng)計(jì)算小房間的聲場(chǎng)計(jì)算l如圖所示典型的小房間，其體積小于80m3，平均吸聲系數(shù)為0.2，總表面積為111m2。l首先由平均吸聲系數(shù)可以算出房間常數(shù)：l將總面積和平均吸聲系數(shù)帶入，計(jì)算結(jié)果：l R = 28m2l第二步，可以計(jì)算一個(gè)講話人的臨

5、界距離：l可取指向性指數(shù)為Q=3dB， 上面結(jié)果R = 28m2代入。l計(jì)算結(jié)果：其臨界距離為l Dc = 1m。l由圖中給出講話者和聆聽(tīng)者的位置。l一個(gè)安裝在墻上有6dB指向性指數(shù)的揚(yáng)聲器。l假定傳聲器是無(wú)方向性的。1、計(jì)算講話者在傳聲器位置和聆聽(tīng)者位置、計(jì)算講話者在傳聲器位置和聆聽(tīng)者位置 產(chǎn)生的相對(duì)聲壓級(jí)產(chǎn)生的相對(duì)聲壓級(jí)l我們首先將擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉。l傳聲器離講話者0.6m，在此距離直達(dá)聲產(chǎn)生的聲壓級(jí)我們假定為大約70dB。l而對(duì)于沒(méi)有擴(kuò)聲系統(tǒng)的講話者的臨界距離Dc是1m，對(duì)于0.6m處的傳聲器就處在講話者的直達(dá)聲場(chǎng)和混響聲場(chǎng)的轉(zhuǎn)換區(qū)域中。l由圖表所示，我們注意到混響聲場(chǎng)和直達(dá)聲場(chǎng)的合成聲壓級(jí)

6、在0.6m的距離必大于單獨(dú)的直接聲場(chǎng)1dB。l所以假定單獨(dú)的直接聲場(chǎng)的聲壓級(jí)是70dB，傳聲器位置的總聲壓級(jí)必為71dB。l然后，我們用類似的方法計(jì)算不用傳聲器的講話人在聽(tīng)音者位置產(chǎn)生的聲壓級(jí)。l 聆聽(tīng)者距講話者4.2m，超過(guò)臨界距離1m的3倍，故完全在講話者的混響聲場(chǎng)中。l我們知道在混響聲場(chǎng)中任何一點(diǎn)的聲壓級(jí)等于直達(dá)聲場(chǎng)在臨界距離產(chǎn)生的聲壓級(jí)。如果直達(dá)聲在0.6m距離處產(chǎn)生的聲壓級(jí)為70dB，在距離1m處的聲壓級(jí)可以由直達(dá)聲的平方反比規(guī)律得出，在此可查表得出，結(jié)果是要下降4.6dB，成為65.4dBl即混響聲場(chǎng)的聲壓級(jí)為65.4dB。這個(gè)聲壓級(jí)是單獨(dú)由講話者產(chǎn)生的，在聆聽(tīng)者位置也是65.4d

7、B。l得到上面的結(jié)果，應(yīng)注意我們所用方法中的兩個(gè)問(wèn)題： 首先，在定義臨界距離時(shí)沒(méi)有考慮傳聲器的入射角， (例如我們選用一個(gè)無(wú)指向性傳聲器它就可接收到和計(jì)算結(jié)果一樣的聲場(chǎng))。 其次，我們采用小數(shù)點(diǎn)的分貝值以避免混亂，實(shí)際上計(jì)算公式的適用范圍是有限的，不能采用比1dB更小的值，這在我們計(jì)算最后答案時(shí)必須四舍五人。2、計(jì)算出單獨(dú)由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲場(chǎng)、計(jì)算出單獨(dú)由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲場(chǎng)l計(jì)算由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲場(chǎng)，需將系統(tǒng)的傳聲器斷開，而用虛擬的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。l假設(shè)揚(yáng)聲器在傳聲器位置產(chǎn)生的聲壓級(jí)是71dB，相當(dāng)于前面不用傳聲器的講話人的聲壓級(jí)。l揚(yáng)聲器安裝在墻和天花板的交界處，其指向性指數(shù)假定為6dB，在此室

8、內(nèi)，我們可以計(jì)算出揚(yáng)計(jì)算出揚(yáng)聲器臨界距離聲器臨界距離為1.4m，這幾乎與揚(yáng)聲器到傳聲器的距離相等。l因傳聲器安裝在揚(yáng)聲器臨界距離處，而我們假設(shè)了這一點(diǎn)的聲壓級(jí)是71dB，這一聲壓級(jí)包括了直達(dá)聲和混響聲，傳聲器位置的直達(dá)聲場(chǎng)必比71dB減少3dB，即68dB。l聆聽(tīng)者距揚(yáng)聲器4.8m(大于臨界距離3倍)，故已完全置于揚(yáng)聲器的混響聲場(chǎng)中，我們知道混響聲場(chǎng)的聲壓級(jí)在臨界距離處必等于單獨(dú)的直達(dá)聲場(chǎng)聲壓級(jí)，揚(yáng)聲器在聆聽(tīng)者位置產(chǎn)生的聲壓級(jí)也必然為68dB。3、潛在聲增益、潛在聲增益l我們還可用同樣的實(shí)例計(jì)算在聆聽(tīng)位置講話人不用傳聲器產(chǎn)生的聲壓級(jí)與用傳聲器產(chǎn)生的聲壓級(jí)之差。l前面算出了不用傳聲器的講話人在聆

9、聽(tīng)位置產(chǎn)生的聲壓級(jí)為65.4dB，揚(yáng)聲器在聆聽(tīng)位置產(chǎn)生的聲壓級(jí)為68dB，這個(gè)系統(tǒng)的增益即兩者之差僅為2.6dB，很顯然，這種擴(kuò)聲系統(tǒng)的價(jià)值并不大。l注意，系統(tǒng)的聲增益于講話者與傳聲器間的距離有關(guān)。按照博納的論文，均衡系統(tǒng)的最大理論值是1dB，在上例中，算出是3dB。l博納強(qiáng)調(diào)，為了獲得最大聲系統(tǒng)增益，傳聲器必須在講話者的直接聲場(chǎng)中，并在揚(yáng)聲器的混響聲場(chǎng)中。但在我們的例子里，傳聲器不完全在講話者的直接聲場(chǎng)之中，而是安置在揚(yáng)聲器臨界距離處。l為得到更大的聲增益，可將傳聲器向講話者移動(dòng)到0.3m處，并用強(qiáng)指向性揚(yáng)聲器，其結(jié)果可使增加3dB，在聽(tīng)音位置得到潛在聲增益為9dB。l實(shí)際上，在一個(gè)小房間內(nèi)

10、，不用傳聲器的講話者很容易就在房間內(nèi)產(chǎn)生65dB的聲壓級(jí)，用擴(kuò)聲系統(tǒng)就顯得沒(méi)有必要了。第三節(jié)第三節(jié) 中等尺寸房間的聲場(chǎng)計(jì)算中等尺寸房間的聲場(chǎng)計(jì)算l現(xiàn)在來(lái)研究一個(gè)較大尺寸的房間，而且用一只指向性傳聲器指向性傳聲器，如下圖所示，房間體積918m3、總表面積630m2、面積129.6m2、平均吸聲系數(shù)0.15。（1）計(jì)算房間常數(shù)?？砂辞懊娴墓絹?lái)計(jì)算，房間常數(shù)大約為110m2。（2）計(jì)算講話者與揚(yáng)聲器的臨界距離。 因?yàn)閾P(yáng)聲器具有指向性，只計(jì)算我們感興趣的、特定角度的臨界距離。l假定揚(yáng)聲器指向性指數(shù)（0度）是9dB。從下面圖表中我們可以查出對(duì)應(yīng)的臨界距離是4.2m。l揚(yáng)聲器指向性指數(shù)在垂直角度為60度

11、時(shí)假定為-3dB，其對(duì)應(yīng)臨界距離為1m。l不用傳聲器的講話人指向性指數(shù)是3dB，其臨界距離相應(yīng)為2m。臨界距離與房間常數(shù)和指向性指數(shù)的關(guān)系臨界距離與房間常數(shù)和指向性指數(shù)的關(guān)系講話者的聲壓級(jí)計(jì)算講話者的聲壓級(jí)計(jì)算l聆聽(tīng)者距講話者12m，傳聲器與講話者是0.6m。講話者的臨界距離為2m，大于與傳聲器距離的3倍，由此傳聲器完全在講話者的直接聲場(chǎng)之中。聆聽(tīng)者與講話者距離大于臨界距離的3倍，因此處在講話者產(chǎn)生的混響聲場(chǎng)中。l假設(shè)單獨(dú)由講話者產(chǎn)生的距講話者0.6m處的聲壓級(jí)為70dB，我們可以計(jì)算出直接聲場(chǎng)在Dc=2m處的聲壓級(jí)：l 70dB - 20Log(2/0.6) = 60 dBl結(jié)果為60dB，

12、因而混響聲場(chǎng)聲壓級(jí)亦為60dB，而單獨(dú)由講話者在聆聽(tīng)者所在位置產(chǎn)生的聲壓級(jí)也為60dB。揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲壓級(jí)計(jì)算揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲壓級(jí)計(jì)算（3）對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行類似的計(jì)算。 聆聽(tīng)者位于揚(yáng)聲器的主軸上，3倍于4.2m的臨界距離。傳聲器安置在距揚(yáng)聲器主軸角度為60度，也是3倍于1m的臨界距離(對(duì)此角度)處。聆聽(tīng)者和傳聲器都在揚(yáng)聲器的混響聲場(chǎng)中。l如揚(yáng)聲器在傳聲器位置產(chǎn)生的聲壓級(jí)不大于70dB（與講話者的聲壓級(jí)相同），則揚(yáng)聲器在聆聽(tīng)者位置產(chǎn)生的聲壓級(jí)亦為70dB，因?yàn)閭髀暺骱婉雎?tīng)者都處于揚(yáng)聲器的混響聲場(chǎng)中。l從已建立的關(guān)系知，講話者在聆聽(tīng)者位置產(chǎn)生的聲壓級(jí)在擴(kuò)聲系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)為60dB，聲系統(tǒng)接通時(shí)為70dB，即

13、最大可能增益為10dB。l在適當(dāng)?shù)木庀到y(tǒng)允許有6dB的峰值儲(chǔ)備，仍可在聆聽(tīng)者位置實(shí)現(xiàn)4dB的增益，但對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它提供了一個(gè)小的但可以察覺(jué)到的聲壓級(jí)增長(zhǎng)。有指向性傳聲器的情況有指向性傳聲器的情況l上面的分析是針對(duì)無(wú)指向性傳聲器，我們?cè)賮?lái)看有指向性傳聲器的情況。下圖是計(jì)算有指向性傳聲器的增益時(shí)的幾何關(guān)系。l此時(shí)講話者與傳聲器的距離仍是0.6m，假定講話者處在傳聲器的主軸上，揚(yáng)聲器距傳聲器5.4m，與主軸成75度。傳聲器的指向性影響傳聲器的指向性影響l右圖所示為傳聲器典型的心形指向性圖，此傳聲器的指向性指數(shù)在其主軸上大約為5dB。l因?yàn)橹v話人是在傳聲器的主軸上，傳聲器接受到講話人的聲音比混響

14、聲場(chǎng)大5dB，理論上是以5dB的因子增加系統(tǒng)的可能增益。實(shí)際的潛在聲增益實(shí)際的潛在聲增益l說(shuō)話人到傳聲器的距離仍然是0.6m，假定講話人處在傳聲器的主軸上，揚(yáng)聲器處在傳聲器的75o的方向上，距離傳聲器5.4m。l由于講話人處在傳聲器主軸上，拾取的信號(hào)比其它方向上大5dB，從理論上加可以使得潛在的系統(tǒng)增益提高5dB。但是我們考慮到傳聲器的指向特性，如傳聲器在0度時(shí)的方向指數(shù)是5dB。由極坐標(biāo)圖表明在75度處的方向指數(shù)大約是3dB，這說(shuō)明雖然揚(yáng)聲器與傳聲器的主軸成75度，它仍會(huì)接收揚(yáng)聲器來(lái)的直接聲場(chǎng)，而存在3dB的差異。l我們知道，揚(yáng)聲器在揚(yáng)聲器和傳聲器間的連線方向的指向性指數(shù)是-3dB，也知道傳

15、聲器沿此軸的指向性指數(shù)是+3dB，故沿此軸總合的指向性指數(shù)必為0dB。l我們還可以從圖表中查出等效臨界距離。l揚(yáng)聲器和傳聲器沿它們的公共軸的總合成臨界距離約為1.3m，因二者間的距離3倍于此數(shù)值，傳聲器仍是處于揚(yáng)聲器的混響聲場(chǎng)中。使用這只指向性傳聲器，允許在反饋以前增加系統(tǒng)潛在聲增益5dB（實(shí)際上，大于3dB的附加增益是很難達(dá)到的）。第四節(jié)第四節(jié) 分布揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的計(jì)算分布揚(yáng)聲器聲場(chǎng)的計(jì)算l圖示是一個(gè)中等尺寸的報(bào)告廳，體積是485m3，表面積約440m2，當(dāng)室內(nèi)空曠時(shí)，平均吸聲系數(shù)為0.2，面積為135m2。l在此空室內(nèi)對(duì)不用傳聲器的講話者，房間常數(shù)R是110m2。但是當(dāng)室內(nèi)被聽(tīng)眾充滿時(shí)，吸聲系

16、數(shù)增加到0.4，對(duì)應(yīng)的房間常數(shù)是293m2。l計(jì)算出不用傳聲器的講話者（指向性指數(shù)為3dB）的臨界距臨界距離離空?qǐng)鰹?m，滿場(chǎng)為3.4m。l如圖所示為某教室擴(kuò)聲系統(tǒng)的配備圖，天花板內(nèi)安裝40個(gè)揚(yáng)聲器，其中心距離為1.5m，在4kHz范圍內(nèi)得到平滑的覆蓋，作用于人耳的聲壓級(jí)在整個(gè)地面區(qū)域只有2dB3dB的差異。l 對(duì)于這種一組揚(yáng)聲器而言，通常的臨界距離和直混比的定義就含糊不清了。但是，我們感興趣的只是潛在的聲學(xué)增益，而這種含糊是可以忽略的。l我們已經(jīng)說(shuō)過(guò)，揚(yáng)聲器組在整個(gè)房間中建立起一個(gè)均勻的聲覆蓋，聲場(chǎng)的具體疊加或相對(duì)指向性并不在增益計(jì)算的考慮因素之內(nèi)。l一個(gè)無(wú)指向性傳聲器距說(shuō)話人0.6，小于1

17、3Dc。不管房間中有多少人，傳聲器都處在說(shuō)話人的直達(dá)聲聲場(chǎng)中。l最遠(yuǎn)的聽(tīng)音人距說(shuō)話人的距離為9m。大于空?qǐng)鰰r(shí)Dc的3倍，并大于滿場(chǎng)時(shí)Dc的3倍。 當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，假如無(wú)擴(kuò)聲幫助的說(shuō)話人在傳聲器處產(chǎn)生的聲壓級(jí)為70dB。而當(dāng)系統(tǒng)打開時(shí)，如果傳聲器處被放大的聲壓級(jí)不大于70dB，那么房間中的各處的最大聲壓級(jí)都不會(huì)超過(guò)70dB。l 從臨界距離的定義中可以看出，在無(wú)擴(kuò)聲幫助時(shí)說(shuō)話人的空?qǐng)鲋校诼?tīng)音人位置處產(chǎn)生的聲壓級(jí)為59dB，而在坐滿觀眾時(shí)大約為55dB。對(duì)于-6dB的可利用余量，計(jì)算出的在聽(tīng)音人位置上的聲學(xué)增益空?qǐng)鰰r(shí)大約為5dB，而滿場(chǎng)時(shí)為9dB。l關(guān)閉掉直接對(duì)著傳聲器的揚(yáng)聲器，可以獲得更大的增益嗎

18、關(guān)閉掉直接對(duì)著傳聲器的揚(yáng)聲器，可以獲得更大的增益嗎? 對(duì)這種密集安裝的揚(yáng)聲器組而言是可行的。把揚(yáng)聲器緊密地安裝到一起，是為了使聲場(chǎng)的聽(tīng)覺(jué)聲壓級(jí)均勻一致。所以，相對(duì)而言任何單獨(dú)一只揚(yáng)聲器的貢獻(xiàn)都不大。但是關(guān)閉表演區(qū)的全部揚(yáng)聲器，而只覆蓋觀眾區(qū)，可以提高系統(tǒng)增益。l在剛才所給的例子中，假定每只揚(yáng)聲器在語(yǔ)言頻率范圍內(nèi)的指向性指數(shù)為：0o時(shí)為+6dB，45o時(shí)為+3dB，60o時(shí)為0dB。設(shè)想我們用25只揚(yáng)聲器覆蓋觀眾區(qū)，并關(guān)閉房間前部的15只揚(yáng)聲器。理論上，潛在增益的增量對(duì)單獨(dú)的聽(tīng)音人只有1dB，在觀眾席坐滿時(shí)有2dB。盡管大部分直達(dá)聲可以被觀眾吸收掉，但是增益的增大量不可能大于3dB。l要取得這些結(jié)論，實(shí)際計(jì)算十分單調(diào)乏味，但并不困難。在傳聲器和聽(tīng)音人的位置上由每只揚(yáng)聲器產(chǎn)生的相對(duì)直達(dá)聲，是由極坐標(biāo)圖形和距離計(jì)算得來(lái)的。通過(guò)設(shè)定每只揚(yáng)聲器的單獨(dú)聲輸出，就可以利用總的反射聲(混響聲聲場(chǎng))和偽直達(dá)聲反射聲，估算出在整個(gè)房間產(chǎn)生的聲壓級(jí)。第五節(jié)第五節(jié) 系統(tǒng)增益與頻率響應(yīng)的關(guān)系系統(tǒng)增益與頻率響應(yīng)的關(guān)系l在前面的例子中，我們并沒(méi)有規(guī)定進(jìn)行增益