浅析会议系统中扩声设计的要点

景亚明 樊伟 杨林场 张祥锐

中建七局安装工程有限公司，中国·河南 郑州 450000

因声音的传播规律，会议系统安装在密闭空间内，与开放式体育场馆、影剧院等建筑空间内明显不同。在有限的声压级下，保证声源的解析可懂度成为会议系统设计的核心重点。

声场建模；混响半径；驻波

1 引言

震动的物体称为声源。声源发出的震动必须经过介质进行传播，介质可以是气体、液体和固体。在受到声源振动的干扰后，介质的分子也随之发生振动，使能量向外传播。但是介质的分子只是在其未被扰动前的平衡位置附近作来回振动，并没有随声波一起向外移动。介质分子的振动传到人耳时，将引起人耳耳膜的振动，最终通过听觉神经而产生声音的感觉。

图1 声音的传播方式

传播声音的空间称之为声场，声场包括自由声场、混响声场（扩散声场）和半自由声场。自由声场，即声源在均匀、各向同性的媒质中，边界的反射影响可以忽略不计的声场。在自由声场中，声波按声源的辐射特性向各个方向不受阻碍和干扰地传播。自由声场的解析度、可懂度最高；混响声场解析度、可懂度最低。有很多场馆，尤其是游泳馆声压级很大的情况下依旧听不清楚广播的内容，就是因为游泳馆内混响声场分布极大，自由声场极小的缘故。

但是，理想的自由声场很难获得，现实中只能获得满足一定测量误差要求的近似的自由声场。如在经过专门设计的房间中，在一定的频率范围内，房间的边界能有效地吸收所有入射的声波，这样的房间内的声音主要是直达声，也可认为是自由声场，这样的房间称消声室，多用于一些设备的测试工作，工程造价相当感人。

图2 普通房间内声场分布

在室内，声波在封闭空间中的传播及其特性比在露天场合要复杂得多。这时，声波将受到封闭空间各个界面，如顶棚、地面、墙壁等的反射、吸收与透射，室内声场因而存在着许多与自由声场不同的声学问题。因此，研究室内声场，对室内音质设计和噪声控制具有重要的意义。

随着声波与声源距离的增加，声能迅速衰减。当点声源向没有反射面的自由空间辐射声能时，声波以球面波的形式辐射。这时，任何一点上的声强遵循与距离平方成反比的定律。如果用声压级表示，则距离增加一倍，声压级衰减6dB。声压级越小，耳朵对声波越不敏感，解析度越差。相反，声压级越高混响声场范围越大，声音可懂度越低。

室内声场包含：直达声，是室内任一点直接接收到声源发出的声音，是接收声音的主体，不受空间界面影响，其声强基本与听点到声源间距离的平方成反比衰减。反射声：指延迟直达声50ms 以内到达听声点的反射声，对声音起到增强作用。混响声：声波经室内界面的多次反射，迟于早期反射声到达听点的声音，直至声源停止发声，但由于多次反射，听点仍能听到，故又称余声，影响声音的清晰度。

美国物理学家赛宾（W·C·Sabine）进行了大量的吸声试验，提出了室内混响理论，奠定了现代建筑声学的理论基础。他首先从试验获得混响时间的计算公式，通常又称为赛宾公式。

其中：V 为房间的容积m³，A 为房间的吸声量m²。根据室内桌椅、窗帘、吊顶、地面材质的不同，吸声系数也不用，得出如下公式（α 为平均吸声系数）：

根据公式可以看出，房间容积越大混响时间越长；平均吸声系数越大，混响时间越短。体积巨大的空间，如果不进行吸声处理的话，混响时间很长，造成讲话清晰度下降。其提出控制混响时间主要有两种方法：改变房间的容积和改变房间表面吸声量。在设计时往往无法改变会议室的体积，调整混响时间唯一的方法是改变吸声量。

但在室内总吸声量较小（吸声系数小于0.2）、混响时间较长的情况下，用赛宾的混响时间计算公式求出的数值与时间测量值相当一致，而在室内总吸声量较大、混响时间较短的情况下，计算值则与实测值不符。

根据测算结果的反向推导，实际数据更加接近一下公式：

V 为室内的容积m³，S 为室内总表面积m²，α 为室内表面平均吸声系数。

根据上述公式得出混响容积曲线，在2800m3以下较为平直。根据不同场扬声内容的区别得到三条曲线[1]。

图3 混响-容积曲线

在实际情况中，室内有声源发声时，室内的声能密度就会由于声源的频率不同而有强有弱，即房间对不同的频率有不同的“响应”，房间本身也会存在共振频率。声源的频率与房间的共振频率越接近，越易引起房间的共振，这个频率的声能密度就越强，就会对室内音质造成不良的影响[2]。

当会议室较大时，为了保证远端有足够的音量，通常在对称位置设置扬声器，但是这样又造成了声源的干涉。当两列频率相同的波在同一直线上正对或同向传播时，叠加后因干涉而产生的波称为驻波[3]。

驻波的特点是，在空间上出现稳定的交替变化位移幅度场，有些位置是极大值，有些位置是极小值，两者空间位置距离为1/4 波长，在极大值和极小值之间出现过渡值。即在入射波与反射波相位相同的位置上，振幅因相加而增大；在相位相反的位置上，振幅因相减而减小。这就形成了位置固定的波腹与波节。对于声压而言，距墙面1/2 波长处和距墙面1/2 波长的整数倍处，声压最大，成为声波的波腹。

从以上可以看出，室内空间设计是影响声音表现最大的因素，也是最难以克服的问题。因此，在设计会议室之前，必须要根据实际情况选择不同的处理方法，如改变墙面吸声材料、墙面形状、规划扬声器的位置、规划扬声器的方向等，从而有效避免声学缺陷的产生。