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◎你知道室內殘響時間嗎？◎《新音響雜誌2003年八月號 [复制链接]

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发表于 2003-09-01 06:56 |只看楼主
本文轉自◎你知道室內殘響時間嗎？◎《新音響雜誌2003年八月號》

文：陳湘允

上期可參考:喇叭擺位的真相一文
http://www.ks-hifi.com/dr.chen/200307/chen0307.htm


上一期我們從技術角度討論了喇叭擺位的一些情形，得到很多讀者的反應，其中有位元北京的朋友以傳真方式提出一些新的問題。這位元朋友承包了國家電影審片單位的一個看片室工程，他希望以較科學的方式計算空間聲學效果，讓這個空間中的每個座位都有平均的聲音表現。網路上有人提供了RT60（室內殘響時間Reverberation Time)的計算方式，很可惜這些道?塗?的RT60公式是錯誤的，什麼是RT60？與一般發燒友有什麼關係？要如何利用RT60？我想利用幾次的機會來說明，儘量以淺顯的方式表達出來，希望對大家都有幫助。


簡單地說，RT60是計算一個聲音訊號從發出到消失，在某個空間內所需要的時間。RT60太長也就是反射音太多，聲音會混濁不清晰；反之則是吸音過度，聲音乾澀不夠圓潤。不過要瞭解室內殘響時間，最好先從認識人耳朵對聲音的反應開始，耳朵反應的功能課題對於設計一個視聽室或音樂廳來說是很重要的。


雖然普遍認為一個健康年輕的人所能感受到的聲音頻寬是20Hz-20kHz，但在美國AES和德國DIN的標準中對人耳所能確切聽到的頻率範圍只保守定為28Hz-16kHz（參考圖一），而且對於空氣中每秒鐘的壓力變化都會有反應。人耳所能感受到最輕微的音量稱為0dB，而最大的音壓承受力很少超過130dB，如果超過了這個範圍，耳朵不但感覺很痛苦，甚至將造成永久的聽覺損害。





(圖一)



(圖二)

聲音從外耳進入，有一個膜片會隨聲壓振動稱為耳膜或鼓膜。接在鼓膜上的是一小塊錘骨，緊壓在錘鼓上的是一塊砧骨，砧骨又壓在一塊叉形的鐙骨上，鐙骨直接連在中耳的耳蝸上（請參考圖二）。耳蝸有三萬多根細如毛髮的聽神經纖維一直連到腦子的聽覺部分，轉變成微弱的神經電流，再經由聽神經纖維將電流輸送到腦中，讓腦子辨識這些信號。年輕人比較能適應聲量強度變化，而年老人的耳朵由於耳內構造變得較堅硬，所以無法承受強烈的聲音。


在測試耳朵反應的頻率曲線中（請參考圖三），我們可以發現到耳朵對不同的頻率會有不同的音壓反應，也就是人耳對不同頻率的敏感度有差異。各種測試參數都以1000Hz為基準，理論上我們也將標準耳朵的音壓反應設定1000Hz為0dB，但在真實測試中耳朵對1000Hz的反應卻是4dB。從曲線圖中看到，耳朵要感應到30Hz的訊號需要60dB的音壓，也就是對低音的反應非常遲鈍。聽覺曲線顯示2000Hz-6000Hz時產生的凹陷，是聽覺管道的共鳴迴響，而3500Hz-4000Hz會在耳朵管道中產生最大的共鳴，並形成一個凹陷的峰值點，所以它的音壓峰值倍數是在0dB或-0dB以下。


從這個圖看得更明顯，在不同的音壓下，耳朵產生不一樣的頻率反應。越小的音量下對低音越不敏感，對2kHz-6kHz的訊號分辨力卻很強；隨著音壓增加低音的感受度提升，同時2kHz-6kHz共鳴也大幅提升，所以大音量時我們容易覺得中高音吵雜。（請參考圖4）



(圖三)



(圖四)
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发表于 2003-09-01 07:01 |只看楼主



殘響時間並非越長或越短就越好，得視不同用途與需求來決定，例如錄音室甚至必須以人工方式加上殘響。大部份的錄音室為了要控制錄音的品質，因此都會以不同方法進行吸音和擴散，以便清除來自外部的噪音和內部的共鳴，所以錄音室的音響環境是很“死聲”的。如果要收錄真實樂器的效果，必須在錄音時加上適當的殘響效果，混合殘響的聲音就會更有質感和比較圓滑及具真實性。在現場的表演中通常也被要求增加殘響效果，以便加強表演的自然性，唱卡拉OK時所使用的回音就是最簡單的方式。


音樂廳的建築構造會因為使用不同的建築或裝飾材料，而擁有不一樣的吸音係數（Absorption Coefficients）。除了以上的因素外，聽眾人數的增加也會降低殘響時間，因為其中一部份的移動音波會被這些物體所吸收。以下的表就是一些主要的建築及裝飾材料和人物的吸音係數。（請參考表一和表二）

表一：建材料的吸音係數



表二：人物的吸音係數



表三：溫度和溼度的空間吸音係數


我們常常會在殘響時間的計算中忽略了聽眾席的空間吸音。對於一個空間很大的聽眾席來說，空間吸音是很重要的，其對於高頻率的吸收是很大的，而且是根據其空間的溫度和濕度來作判斷的。以上是在特定的溫度和濕度下的空間吸音係數表。（請參考表三）



(圖十二)


從圖十二可以更清楚明白RT60的意義。0dB時聲源並沒有發出聲音，但實際上空間受到外界多種因素的干擾還是有某些共鳴，最好的例子是在一個非常寧靜的房間中，拿起玻璃杯套住耳朵，你仍能聽到空氣共鳴造成的聲響。這種空間共鳴稱為基本背景噪音，從0dB到基本背景噪音之間有段時間差，這就是RT60所要處理的範圍，改變RT60的時間，同時會導致背景噪音的增加或減少。
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发表于 2003-09-01 06:59 |只看楼主


認識耳朵的特性與對不同頻率的靈敏度後，我們再來探討空間反射的問題。當音源發射之後，直射聲音和第一次反射聲音會分別以不同的時間到達聽眾（請參考圖五）。如果直射聲音和第一次反射聲音到達時間差別太大的話，聽眾就會有一種被隔離的感覺，我們會說這個表演讓聽眾缺少“現場感”和“親密感”。假設從音源發射出去的第一次反射聲音，以30m/sec到達邊界線（天花板），再從邊界線以50m/sec反方向的反射到聽眾的位置，而音速是以343.3m/sec（常溫下的音速）前進的話，那麼直射聲音和第一次反射聲音的音波長度分別是10m和17m。


但我們知道聲音不是一種直射波，而是一種球形波，它會有許多的反射點與不同反射角度，所謂的殘響（或稱反響）就是在聆聽位置對所有反射聲音的收集（請參考圖6）。太多的反射會使聲音“散掉”，例如一個人在反射雜亂的空間中演講，語句會變得模糊不清楚，甚至連位置感也不容易區分，這時候就要塑造一個良好的殘響環境，而首先要知道殘響時間的參數，才能進行吸音處理或者是擴散的安排。




(圖五)



(圖六)



(圖七)

一些音樂廳會在天花板的位置懸掛一個碟形狀的擴散物體（請參考圖七），用來加快第一次反射聲音到達聽眾座位的時間，這樣就可以改進“現場感”的感覺。因為這些擴散物體將天花板的位置降低了，因此縮短了整個反響時間。


下面這幾個圖是多個不同形狀的密閉空間（請參考圖八）。在不同形狀的密閉空間，如果沒有經過吸音的處理，就會形成不同的反射效果。在這裏，我們也可以認識到基本的反射方向。











(圖八)
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发表于 2003-09-01 07:40 |只看该用户

好，顶！
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发表于 2003-09-01 07:04 |只看楼主


沒有一個音樂廳是萬能的，不同的音樂廳有其獨特的個性，因此也必須選擇合適的表演來取得最佳效果。例如柏林愛樂廳的殘響時間較短，比較適合節奏複雜的現代音樂演出；而維也納金色大廳的殘響時間較長，演奏古典樂派或浪漫樂派的作品能相得益彰，獲得溫暖飽滿的聲音。錄音中有時會用一些電子設備作殘響時間的調整，同樣必須考慮音樂的內容。幾個世界上最有名的音樂廳，它們的平均殘響時間分別是：


維也納金色大廳Musikvereinsaal：2.05秒

波士頓交響樂廳Symphony Hall：1.8秒

紐約卡內基音樂廳Carnegie Hall：1.7秒

以下的表就是不同用途的殘響時間建議值（500Hz為基準）。
（請參考表四）



（表四）



(圖十三）


理想的殘響時間應該是多少？前面已經說過了，不同的用途需要有不同的殘響時間，圖十三顯示不同殘響時間的環境中，對於演奏或演講的用途會有不同的反應。
這次先把RT60的定義與計算方式告訴大家，目前很多測試軟體都能進行RT60的測試，並以曲線呈現出來，對處理音響空間的幫助很大。但多數讀者手中並沒有儀器，可以依此自己計算求得大概的數值，下一期我們再來討論如何將RT60實際運用在音響房中，並協助大家架構一個理想的聽音環境。


殘響時間的計算方式


方程式：RT60=（0.161×V）/A


我舉例來計算，假如一個空間高為4米，長為12米，寬為8米，房間容量的立方米V=384立方米。0.161是常溫下音速343.3m/s與空氣密度的比值，詳細計算方式我們就不說了。A則是所有吸音表面積的總和，A的計算比較麻煩。
A=(甲牆吸音表面積×吸音係數平均值)+(乙牆吸音表面積×吸音係數平均值)+(丙牆吸音表面積×吸音係數平均值)+…
一個房間會有左右、前後、上下共六面牆，我們假設這個房間的牆面都是一致的，先算左右二邊牆的吸音表面積。


二邊牆的面積分別為高×寬=32平方米。牆上使用的材料其吸音係數為：125Hz/0.06；500Hz/0.2；2kHz/0.5；吸音係數平均值AC=0.25333。二邊牆的吸音表面積=面積×吸音係數平均值=8.1067。


接著看前後牆的吸音表面積。前後牆面積高×長=48平方米，牆上使用的材料其吸音係數為：125Hz/0.07；500Hz/0.05；2kHz/0.05；吸音係數平均值AC=0.056667。前後牆的吸音表面積=面積×吸音係數平均值=2.72。


天花板與地板的材料往往不同，需分別計算。天花板面積長×寬=96平方米，使用的材料吸音係數為：125Hz/0.06；500Hz/0.05；2kHz/0.04；吸音係數平均值AC=0.050。天花板的吸音表面積=面積×吸音係數平均值=4.8。


地板的面積同樣是96平米，使用的材料吸音係數為：125Hz/0.07；500Hz/0.06；2kHz/0.06；吸音係數平均值AC=0.063333。地板的吸音表面積=面積×吸音係數平均值=6.08。


把這些數字加起來後，我們就可以獲得總吸音表面積A=32.5333，再套入RT60的計算公式(0.161×V)/A
RT60＝（0.161×384立方米）=32.5333。那RT60＝1.90033


如果要獲得更精確的RT60數值，還應該將空間中所有人的吸音係數考慮進去，站立者與坐在椅子上的吸音係數是不同的，家庭中使用不需要這麼精確，我們就掠過不談。別忘了環境中的溫度與濕度也會影響吸音，一般是以攝氏20度，濕度30%為基準計算，這時計算方程式應增加為(0.161×V)/A＋mV，mV就是溫度和濕度的吸音，其吸音係數為：125Hz/0.0011；500Hz/0.0056；2kHz/0.012；吸音係數平均值為0.006。


以上僅是基本的計算方式，如需更精確數值必須考慮更多因素，我們就不再介紹了。




本文摘自新音響雜誌 2003年八月號

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總編輯：賴英智
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发表于 2005-03-08 11:32 |只看该用户

可惜没图了
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