多媒体教室混响时间及直达声分布优化

郭荣桥

（桂林电子科技大学计算机与信息安全学院，广西桂林 541001)

多媒体教室混响时间及直达声分布优化

郭荣桥

（桂林电子科技大学计算机与信息安全学院，广西桂林 541001)

用计算机仿真技术分析一实体多媒体教室的混响时间和直达声分布情况，发现影响该多媒体教室语言清晰度的主要原因是低频混响时间过长和直达声分布不均。混响时间的调整通过加装特定吸声材料得以解决；通过对直达声分布的进一步分析，发现音箱之间的声干涉才是影响直达声分布的最主要原因。受线阵列音箱原理启发，对现有音箱进行组合，解决了直达声分布不均的问题。

多媒体教室；混响时间；音箱声干涉；线阵列音箱

音质的问题是不是器材的问题？一般人都认为是。一分钱一分货自然有它的道理，高素质的音响器材当然能重放出高保真的声音，这一结论在声音散布到空间环境之前，是基本正确的，也就是说，声音经过器材的最后一环——音箱——散布到空间之后，以上结论就不正确了。因为作为声音的重放环境——室内或者室外的空间环境，也是一个重要的器材，很多人还没有意识到这一点。

最明显的感受就是,越大的房间说话越吃力，听音也越吃力，因为混响甚至是回声都太重；还有一种感受是在室内某些地方声音大声又清晰，某些地方声音却浑浊不清。声音是不可见的媒体，通过使用计算机仿真技术对一实体多媒体教室的声学环境进行仿真，用眼睛发现以上两种现象具体表现，并针对性地使用相应措施使之得以优化。

一、实体多媒体教室概况

图1 讲台前视图

某系一楼多媒体教室容积520m3，其中宽9米，长17米，高3.5米，四面墙比较规整，天花板有四条大梁纵横交错，大梁的截面积为0.3m2，在中间形成一个面积为16m2的井子大空腔。整个地面共6级阶梯向后延伸，每一级高0.2米，水泥地面，听众席是硬质三合板做成的课桌和椅子，四面墙和天花板都是抹灰的表面，其中有面墙开了5扇大玻璃窗。配有电声系统，音箱安装在离地面2.9米高的一个不锈钢架子上，这一高度几乎与天花板上的大梁高度一致，加上音箱本身的高度，整个音箱的辐射面都被前面的大梁阻挡。音箱背面往后3米就是讲台，因为是置于不锈钢架子上，音箱水平角是可调的，垂直角就没有办法调了，所以，音箱前面的大梁阻挡了大部分的直达声。室内环境如图1、图2所示：

图2 音箱位置侧视图

二、混响时间设计

声源发出声音后，部分声音直接到达接收点（人耳、话筒）称为直达声，除此之外的则到达天花、地板、墙壁，然后再被反射到达接收点，称为反射声，反射声因为路径长短不同，会有不同的延时，各种延时不同的反射声混合在一起，就形成了混响；有些反射声多次发射之后还有能量，继续在室内被反射，这样就延长了反射的时间，也就是混响的时间，所以，按照混响时间的定义，声音停止后，声压级降到60dB所需要的时间就是混响时间，如果反射声一直在反射，声压级很久才能下降到60dB，自然而然的，混响时间就长了。

从产生的机理来看，处理混响的最直接方法直接就是降低声能，声能小了，被反射的声能也小了，反射声经过几次反射没有了能量就消失了。比如，小声讲话就基本感觉不到混响，但这样的话声压级就不能达标了，根本没有意义。所以，直达声的声压级是不能降低的，应按照实际需要提供，不必减小，直达声到达反射面之后，再进行吸声处理，按需让一部分声能反射出去，这样反射声能得到控制，从而控制了混响时间。

日常生活中最常见的窗帘、地毯，衣服都有吸声的作用，这似乎已经众所周知，但是这些材料吸收声音的频段和吸收量都不好确定，所以，共振吸声结构就被设计出来，可以专门针对需要吸收的频段而设计。典型代表就是亥姆赫兹共振吸声器，其实就是一个刚性密闭容器，通过一根小导管与外面空气连接，当声波中的频率接近共振器的固有频率时，导管内的空气发生强烈振动，来回克服摩擦阻力消耗声能。根据以下公式确定被吸收的频率声能：

f0为被吸声的频率（Hz）；c为声速34300cm/s；V为共振腔的容积(cm)3；L0为导管的实际长度(cm)；d为导管内直径(cm)。

亥姆赫兹共振吸声器还不是一个很实用的吸声器件，因为其体积可观，所以，根据亥姆赫兹共振吸声器原理设计生产出来了很多种多孔吸声板，其实就是把很多微型亥姆赫兹共振吸声器并联起来，做成产品使用。既然是并联的亥姆赫兹共振吸声器，就需要用以下公式确定吸收的频率：

c为声速，取常温时c=34000cm/s，L为板后空腔厚度，即板与墙面的距离（cm）；t为穿孔板厚度（cm）；δ为孔口修正量，圆孔取0.8d（cm）；P是穿孔率，即穿孔面积与总面积之比。

全频段的混响时间都过长是不存在的，所以，如果要设计一个室内声场的混响时间，首先要知道是哪些频段的混响时间过长，进而才能对症下药选择相应的材料。

在当前的装修条件下，如第一节概况所描述且假定教室满员的情况下，该教室的混响时间如图3所示：

图3 教室原始混响时间曲线

整个教室的容积是520.53m3，仿真软件推荐的混响时间为0.6s。0.6s的混响时间适用于演艺类厅堂，但对于以语言传播为主、本身容积又不及演艺厅的教室，0.4s-0.5s的混响时间为宜。图3所示就是目前教室的混响曲线，可以看到200Hz-700Hz这一频段远超出了标准所限，混响时间最长的是250Hz，达到0.85s，从800Hz-8KHz这一频段的混响时间一路下滑，极不平整，从这些数据就可以预见听感：除了一堆的低频轰轰响，还有干涩的奇怪的高频声音。这样的混响时间是很难有好的语言清晰度的。

而且从图中看出，250Hz混响时间特别长，会引发该频率声音过度增益，换种说法就是极易引起该频率声音的啸叫，需特别注意。

根据目前教室的混响情况，只要对1000Hz以下的频率做强吸收即可。图4就是名为perfpanel4穿孔板材料的吸收系数与频率关系曲线图，该材料取自仿真软件自带的美国通用吸声材料库，穿孔率8.7%，距墙空腔8"安装；图中纵坐标为吸声系数，最大为1，也就是全吸声，值越大说明吸收得越厉害；横坐标表示频段，可以看到，perfpanel4材料对1000Hz以下的频段有很强的吸收效果，而对于中高频则基本不吸收，这恰好符合本教室吸收中低频保留中高频的吸声要求，所以本次混响时间设计，就使用perfpanel4吸声材料来改善混响时间。

图4 perfpanel4吸收系数曲线图

由于教室两面侧墙安装有门和玻璃窗，不便安装穿孔板，所以决定将剩下两面墙（前后墙）安装perf⁃panel4型穿孔吸声板，然后测试效果，如达到效果，则已，不然继续在天花板上安装。吸声板并不是越多越好，过度的吸声反而人为地制造了声学缺陷。

安装好吸声板之后混响时间值如图5所示，全频段的混响时间都在0.4s-0.5s之间，达到了最初的设计要求，且整条曲线比较平直，相对之前的混响时间曲线，可以说是比较完美的。

图5 优化后混响时间曲线图

三、直达声分布优化

直达声是没有经过任何反射而到达接收点的声音，是音质的基础，对语音清晰度影响重大。一般以1000Hz这个1/3oct频段为例，考察其在声场的分布情况，如图6所示：

图61000 Hz直达声分布图

直达声声压级最高在第一道横梁之前，这是观众席的前部，为97dB，在第一道横梁之后，声压级开始下降，最低84dB，连讲台那一小片小小区域，都分布着从94dB到84dB的声压级落差，总的来说，整个声场十分混乱，不均匀度有13dB。一般而言，声场的声压级不均匀度容许范围是4dB-8dB，13dB的落差已经远远超出这个范围。

声场中还有两个明显的声谷，处于声谷中心的声压级会急剧下降，换句话说就是直达声的分量不足而充斥着各种反射声，所以处在声谷中的位置听到的基本都是浑浊不清的反射声。

图7 避开大梁教室前墙安装音箱

这种安装方式的直达声分布如图8所示：

图8 前墙安装音箱1000Hz直达声分布

不均匀度25dB，声谷反而比原来的更大更深，总

声谷的出现或许是因为音箱的不科学安装，为消除横大梁阻挡的影响，同时也为了照顾讲台区域的直达声分布，将音箱对称地安装在教室前墙，如图7所示：体效果更恶劣。可见，声谷的产生，与横大梁没有关系。

其实声谷的存在最大可能是因为声干涉。两个音箱发出同频率、同相位、同步调的声音，在音箱辐射角重叠的地方如果两列声波还同相，声音就会得到加强，如果反相，声音就被削弱，甚至于形成声谷。其实，干涉现象的产生并不仅仅是相位的正和反，还有时延问题，因为两列声波经由不同路径到达干涉区，其中一列稍有延时，然后叠加在另一列声波上，简单来说，步调不一致，也会出现干涉现象。将两个音箱看成一个系统，考察其三维指向性，就能看到干涉现象。单个音箱有指向性，几个音箱组成的系统也会有指向性。把两个相距4米的音箱看做一个系统，其指向性表现如图9所示：

图9 相距4米两音箱综合指向性图

需要指出的是，不同频率的声波干涉的情况是不一样的，因为高频和低频声波的波长都不同。图9展示的是1000Hz声波的干涉情况，可以看到，已经明显看到有凹陷的地方了。为了更明显的看到干涉效果，将两音箱的距离减少到2米，则效果如图10：

图10 相距2米两音箱综合指向性图

两个音箱相距两米时，三维指向性图已经出现了大峰大谷，这种情况与本次多媒体教室声场出现的声谷，原理基本一致。

对于这种现象，声频工程师已经找到了优化的方法。在实际工程中，为了满足声功率和声覆盖的要求，一个声场往往要布置多个音箱，而这些音箱就会相互干涉，形成混乱的声场。就好比往湖面扔一把小石子，每块小石子激起的波纹相互交叠干涉，十分混乱。但如果将那一把小石子粘成一块大石头扔进湖里，就不会有干涉，而且振幅更大。而粘贴成的那块大石头，就像声场中的线阵列音箱。

上面的例子仿佛说就是把多个音箱堆叠起来，就可以形成线阵列音箱，这是不对的。要形成线阵列音箱有严格的条件：

1、阵列的每个音箱以一个同相位平面形波阵面工作；

2、阵列的音箱的声中心之间的间距应小于最高辐射频率波长的一半。

普通音箱或者扬声器的辐射面是接近于球状的，而只有平面型辐射面的音箱才能称之为线阵列音箱，要达到这种辐射面，喇叭单元中心间距离必须要小于最高辐射频率波长的一半。所以，线阵列音箱是专门制造的，普通的音箱是不能变成线阵列音箱的。但是可以依葫芦画瓢，将两个音箱组成阵列的样子，看看效果如何。真正的阵列音箱如图11所示，将教室两个音箱组装成“伪阵列”如图12所示：

图11 JBL VRX900线阵列音箱

图12 教室音箱组合而成的“伪阵列”音箱

下面来看看“伪阵列”音响系统的三维指向性图，如图13所示：

图13 “伪阵列”音箱三维指向性图

表面没有波峰波谷，中间却凸出一个圆球，因为这是“伪阵列”。按照“阵列的音箱的声中心之间的间距应小于最高辐射频率波长的一半”的要求，图13指示的是1000Hz频率的三维指向，1000Hz波长0.34，一半就是0.17米，则喇叭中心间距应小于0.17米，而“伪阵列”远达不到这个要求。

将“伪阵列”在教室正中悬挂，如图14：

图14 “伪阵列”音箱安装图

查看“伪阵列”在教室中的直达声分布，如图15：

图15 “伪阵列”在教室中的直达声分布图

在讲台区还是有峰谷，但坐席区没有，只是遵循声音传播规律依次小幅度降低声压级，整个声场的最大声压级88.5dB，最小的声压级为82.1dB，不均匀度为6dB，符合要求。

只是这种音箱的吊挂方式，对于立体声的呈现是很不利的，可以说，根本不能感受到立体声。但是，立体声也并不是简单地把两个音箱拉开一定的距离，就是立体声呈现了。立体声的呈现首先得保证音源是立体声，其次才能考虑播放器、功放、音箱的配置以利于立体声的呈现。鉴于如今教室使用的大多数音源都是网上所得，这些音源经过压缩整合，立体的效果已经很弱，远已不是真正的立体声，所以，对于着重人声表现的教室来说，这样的音箱吊装方式还是可以接受的，毕竟，音质的基础，直达声的分布已经达到很好的效果。

四、结语

多媒体教室的建设，并不是“只要有声音出来就行了”那么简单，通过使用计算机辅助设计的方法，可以看到，只要针对性的做些声学处理，可以极大改善教室的音质。此次混响时间和直达声分布的优化，除了优化混响时间需要购买多孔吸音板，而直达声的优化则是一分钱都不花的，且达到了预期效果。需要强调的是，此次直达声的优化只有利于语音的传播，不利于声相的定位，对于教室来说，是合理的。

本次优化设计只是在假设电声系统达标的情况下展开，如果要真正设计一个音质优秀的多媒体教室，电声系统也是一个必须要考虑的因素。

[1]高玉龙.厅堂建筑音质计算机辅助设计[M].北京:国防工业出版社,2007.

The Optimization of Reverberation Time and the Distribution of Direct Sound in Multimedia Classrooms

Guo Rongqiao
(School of Computer Science and Information Security,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541001,China)

It can be found that an overlong low-frequency Reverberation Time and the uneven distribution of Direct Sound are two main factors affecting the speech articulation of a real multimedia classroom,by using the computer simulation technology to analyze the Reverberation Time and distribution of Direct Sound in it.The Reverberation Time can be adjusted by installing specific sound-absorbing materials;while after further analysis,the interference of sound waves between speakers have the biggest effect on the distribution of Direct Sound.Inspired by the principle of line array speakers,they can combine the existing speakers,which is a solution to the uneven distribution of Direct Sound.

multimedia classroom;Reverberation Time;the interference of sound waves;line array speaker

0422.2

A

1001-7070（2016）06-0131-05

（责任编辑：杨建香）

2016-09-25

郭荣桥（1984-），男，广西贺州市人，网络工程师和网络规划设计师，主要研究方向为计算机网络、多媒体技术。