郭榮橋

（桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院，廣西桂林 541001)

多媒體教室混響時(shí)間及直達(dá)聲分布優(yōu)化

郭榮橋

（桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息安全學(xué)院，廣西桂林 541001)

用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析一實(shí)體多媒體教室的混響時(shí)間和直達(dá)聲分布情況，發(fā)現(xiàn)影響該多媒體教室語言清晰度的主要原因是低頻混響時(shí)間過長(zhǎng)和直達(dá)聲分布不均。混響時(shí)間的調(diào)整通過加裝特定吸聲材料得以解決；通過對(duì)直達(dá)聲分布的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)音箱之間的聲干涉才是影響直達(dá)聲分布的最主要原因。受線陣列音箱原理啟發(fā)，對(duì)現(xiàn)有音箱進(jìn)行組合，解決了直達(dá)聲分布不均的問題。

多媒體教室；混響時(shí)間；音箱聲干涉；線陣列音箱

音質(zhì)的問題是不是器材的問題？一般人都認(rèn)為是。一分錢一分貨自然有它的道理，高素質(zhì)的音響器材當(dāng)然能重放出高保真的聲音，這一結(jié)論在聲音散布到空間環(huán)境之前，是基本正確的，也就是說，聲音經(jīng)過器材的最后一環(huán)——音箱——散布到空間之后，以上結(jié)論就不正確了。因?yàn)樽鳛槁曇舻闹胤怒h(huán)境——室內(nèi)或者室外的空間環(huán)境，也是一個(gè)重要的器材，很多人還沒有意識(shí)到這一點(diǎn)。

最明顯的感受就是,越大的房間說話越吃力，聽音也越吃力，因?yàn)榛祉懮踔潦腔芈暥继?；還有一種感受是在室內(nèi)某些地方聲音大聲又清晰，某些地方聲音卻渾濁不清。聲音是不可見的媒體，通過使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)一實(shí)體多媒體教室的聲學(xué)環(huán)境進(jìn)行仿真，用眼睛發(fā)現(xiàn)以上兩種現(xiàn)象具體表現(xiàn)，并針對(duì)性地使用相應(yīng)措施使之得以優(yōu)化。

一、實(shí)體多媒體教室概況

圖1 講臺(tái)前視圖

某系一樓多媒體教室容積520m3，其中寬9米，長(zhǎng)17米，高3.5米，四面墻比較規(guī)整，天花板有四條大梁縱橫交錯(cuò)，大梁的截面積為0.3m2，在中間形成一個(gè)面積為16m2的井子大空腔。整個(gè)地面共6級(jí)階梯向后延伸，每一級(jí)高0.2米，水泥地面，聽眾席是硬質(zhì)三合板做成的課桌和椅子，四面墻和天花板都是抹灰的表面，其中有面墻開了5扇大玻璃窗。配有電聲系統(tǒng)，音箱安裝在離地面2.9米高的一個(gè)不銹鋼架子上，這一高度幾乎與天花板上的大梁高度一致，加上音箱本身的高度，整個(gè)音箱的輻射面都被前面的大梁阻擋。音箱背面往后3米就是講臺(tái)，因?yàn)槭侵糜诓讳P鋼架子上，音箱水平角是可調(diào)的，垂直角就沒有辦法調(diào)了，所以，音箱前面的大梁阻擋了大部分的直達(dá)聲。室內(nèi)環(huán)境如圖1、圖2所示：

圖2 音箱位置側(cè)視圖

二、混響時(shí)間設(shè)計(jì)

聲源發(fā)出聲音后，部分聲音直接到達(dá)接收點(diǎn)（人耳、話筒）稱為直達(dá)聲，除此之外的則到達(dá)天花、地板、墻壁，然后再被反射到達(dá)接收點(diǎn)，稱為反射聲，反射聲因?yàn)槁窂介L(zhǎng)短不同，會(huì)有不同的延時(shí)，各種延時(shí)不同的反射聲混合在一起，就形成了混響；有些反射聲多次發(fā)射之后還有能量，繼續(xù)在室內(nèi)被反射，這樣就延長(zhǎng)了反射的時(shí)間，也就是混響的時(shí)間，所以，按照混響時(shí)間的定義，聲音停止后，聲壓級(jí)降到60dB所需要的時(shí)間就是混響時(shí)間，如果反射聲一直在反射，聲壓級(jí)很久才能下降到60dB，自然而然的，混響時(shí)間就長(zhǎng)了。

從產(chǎn)生的機(jī)理來看，處理混響的最直接方法直接就是降低聲能，聲能小了，被反射的聲能也小了，反射聲經(jīng)過幾次反射沒有了能量就消失了。比如，小聲講話就基本感覺不到混響，但這樣的話聲壓級(jí)就不能達(dá)標(biāo)了，根本沒有意義。所以，直達(dá)聲的聲壓級(jí)是不能降低的，應(yīng)按照實(shí)際需要提供，不必減小，直達(dá)聲到達(dá)反射面之后，再進(jìn)行吸聲處理，按需讓一部分聲能反射出去，這樣反射聲能得到控制，從而控制了混響時(shí)間。

日常生活中最常見的窗簾、地毯，衣服都有吸聲的作用，這似乎已經(jīng)眾所周知，但是這些材料吸收聲音的頻段和吸收量都不好確定，所以，共振吸聲結(jié)構(gòu)就被設(shè)計(jì)出來，可以專門針對(duì)需要吸收的頻段而設(shè)計(jì)。典型代表就是亥姆赫茲共振吸聲器，其實(shí)就是一個(gè)剛性密閉容器，通過一根小導(dǎo)管與外面空氣連接，當(dāng)聲波中的頻率接近共振器的固有頻率時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)的空氣發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，來回克服摩擦阻力消耗聲能。根據(jù)以下公式確定被吸收的頻率聲能：

f0為被吸聲的頻率（Hz）；c為聲速34300cm/s；V為共振腔的容積(cm)3；L0為導(dǎo)管的實(shí)際長(zhǎng)度(cm)；d為導(dǎo)管內(nèi)直徑(cm)。

亥姆赫茲共振吸聲器還不是一個(gè)很實(shí)用的吸聲器件，因?yàn)槠潴w積可觀，所以，根據(jù)亥姆赫茲共振吸聲器原理設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來了很多種多孔吸聲板，其實(shí)就是把很多微型亥姆赫茲共振吸聲器并聯(lián)起來，做成產(chǎn)品使用。既然是并聯(lián)的亥姆赫茲共振吸聲器，就需要用以下公式確定吸收的頻率：

c為聲速，取常溫時(shí)c=34000cm/s，L為板后空腔厚度，即板與墻面的距離（cm）；t為穿孔板厚度（cm）；δ為孔口修正量，圓孔取0.8d（cm）；P是穿孔率，即穿孔面積與總面積之比。

全頻段的混響時(shí)間都過長(zhǎng)是不存在的，所以，如果要設(shè)計(jì)一個(gè)室內(nèi)聲場(chǎng)的混響時(shí)間，首先要知道是哪些頻段的混響時(shí)間過長(zhǎng)，進(jìn)而才能對(duì)癥下藥選擇相應(yīng)的材料。

在當(dāng)前的裝修條件下，如第一節(jié)概況所描述且假定教室滿員的情況下，該教室的混響時(shí)間如圖3所示：

圖3 教室原始混響時(shí)間曲線

整個(gè)教室的容積是520.53m3，仿真軟件推薦的混響時(shí)間為0.6s。0.6s的混響時(shí)間適用于演藝類廳堂，但對(duì)于以語言傳播為主、本身容積又不及演藝廳的教室，0.4s-0.5s的混響時(shí)間為宜。圖3所示就是目前教室的混響曲線，可以看到200Hz-700Hz這一頻段遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)所限，混響時(shí)間最長(zhǎng)的是250Hz，達(dá)到0.85s，從800Hz-8KHz這一頻段的混響時(shí)間一路下滑，極不平整，從這些數(shù)據(jù)就可以預(yù)見聽感：除了一堆的低頻轟轟響，還有干澀的奇怪的高頻聲音。這樣的混響時(shí)間是很難有好的語言清晰度的。

而且從圖中看出，250Hz混響時(shí)間特別長(zhǎng)，會(huì)引發(fā)該頻率聲音過度增益，換種說法就是極易引起該頻率聲音的嘯叫，需特別注意。

根據(jù)目前教室的混響情況，只要對(duì)1000Hz以下的頻率做強(qiáng)吸收即可。圖4就是名為perfpanel4穿孔板材料的吸收系數(shù)與頻率關(guān)系曲線圖，該材料取自仿真軟件自帶的美國(guó)通用吸聲材料庫，穿孔率8.7%，距墻空腔8"安裝；圖中縱坐標(biāo)為吸聲系數(shù)，最大為1，也就是全吸聲，值越大說明吸收得越厲害；橫坐標(biāo)表示頻段，可以看到，perfpanel4材料對(duì)1000Hz以下的頻段有很強(qiáng)的吸收效果，而對(duì)于中高頻則基本不吸收，這恰好符合本教室吸收中低頻保留中高頻的吸聲要求，所以本次混響時(shí)間設(shè)計(jì)，就使用perfpanel4吸聲材料來改善混響時(shí)間。

圖4 perfpanel4吸收系數(shù)曲線圖

由于教室兩面?zhèn)葔Π惭b有門和玻璃窗，不便安裝穿孔板，所以決定將剩下兩面墻（前后墻）安裝perf?panel4型穿孔吸聲板，然后測(cè)試效果，如達(dá)到效果，則已，不然繼續(xù)在天花板上安裝。吸聲板并不是越多越好，過度的吸聲反而人為地制造了聲學(xué)缺陷。

安裝好吸聲板之后混響時(shí)間值如圖5所示，全頻段的混響時(shí)間都在0.4s-0.5s之間，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求，且整條曲線比較平直，相對(duì)之前的混響時(shí)間曲線，可以說是比較完美的。

圖5 優(yōu)化后混響時(shí)間曲線圖

三、直達(dá)聲分布優(yōu)化

直達(dá)聲是沒有經(jīng)過任何反射而到達(dá)接收點(diǎn)的聲音，是音質(zhì)的基礎(chǔ)，對(duì)語音清晰度影響重大。一般以1000Hz這個(gè)1/3oct頻段為例，考察其在聲場(chǎng)的分布情況，如圖6所示：

圖61000 Hz直達(dá)聲分布圖

直達(dá)聲聲壓級(jí)最高在第一道橫梁之前，這是觀眾席的前部，為97dB，在第一道橫梁之后，聲壓級(jí)開始下降，最低84dB，連講臺(tái)那一小片小小區(qū)域，都分布著從94dB到84dB的聲壓級(jí)落差，總的來說，整個(gè)聲場(chǎng)十分混亂，不均勻度有13dB。一般而言，聲場(chǎng)的聲壓級(jí)不均勻度容許范圍是4dB-8dB，13dB的落差已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個(gè)范圍。

聲場(chǎng)中還有兩個(gè)明顯的聲谷，處于聲谷中心的聲壓級(jí)會(huì)急劇下降，換句話說就是直達(dá)聲的分量不足而充斥著各種反射聲，所以處在聲谷中的位置聽到的基本都是渾濁不清的反射聲。

圖7 避開大梁教室前墻安裝音箱

這種安裝方式的直達(dá)聲分布如圖8所示：

圖8 前墻安裝音箱1000Hz直達(dá)聲分布

不均勻度25dB，聲谷反而比原來的更大更深，總

聲谷的出現(xiàn)或許是因?yàn)橐粝涞牟豢茖W(xué)安裝，為消除橫大梁阻擋的影響，同時(shí)也為了照顧講臺(tái)區(qū)域的直達(dá)聲分布，將音箱對(duì)稱地安裝在教室前墻，如圖7所示：體效果更惡劣。可見，聲谷的產(chǎn)生，與橫大梁沒有關(guān)系。

其實(shí)聲谷的存在最大可能是因?yàn)槁暩缮?。兩個(gè)音箱發(fā)出同頻率、同相位、同步調(diào)的聲音，在音箱輻射角重疊的地方如果兩列聲波還同相，聲音就會(huì)得到加強(qiáng)，如果反相，聲音就被削弱，甚至于形成聲谷。其實(shí)，干涉現(xiàn)象的產(chǎn)生并不僅僅是相位的正和反，還有時(shí)延問題，因?yàn)閮闪新暡ń?jīng)由不同路徑到達(dá)干涉區(qū)，其中一列稍有延時(shí)，然后疊加在另一列聲波上，簡(jiǎn)單來說，步調(diào)不一致，也會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。將兩個(gè)音箱看成一個(gè)系統(tǒng)，考察其三維指向性，就能看到干涉現(xiàn)象。單個(gè)音箱有指向性，幾個(gè)音箱組成的系統(tǒng)也會(huì)有指向性。把兩個(gè)相距4米的音箱看做一個(gè)系統(tǒng)，其指向性表現(xiàn)如圖9所示：

圖9 相距4米兩音箱綜合指向性圖

需要指出的是，不同頻率的聲波干涉的情況是不一樣的，因?yàn)楦哳l和低頻聲波的波長(zhǎng)都不同。圖9展示的是1000Hz聲波的干涉情況，可以看到，已經(jīng)明顯看到有凹陷的地方了。為了更明顯的看到干涉效果，將兩音箱的距離減少到2米，則效果如圖10：

圖10 相距2米兩音箱綜合指向性圖

兩個(gè)音箱相距兩米時(shí)，三維指向性圖已經(jīng)出現(xiàn)了大峰大谷，這種情況與本次多媒體教室聲場(chǎng)出現(xiàn)的聲谷，原理基本一致。

對(duì)于這種現(xiàn)象，聲頻工程師已經(jīng)找到了優(yōu)化的方法。在實(shí)際工程中，為了滿足聲功率和聲覆蓋的要求，一個(gè)聲場(chǎng)往往要布置多個(gè)音箱，而這些音箱就會(huì)相互干涉，形成混亂的聲場(chǎng)。就好比往湖面扔一把小石子，每塊小石子激起的波紋相互交疊干涉，十分混亂。但如果將那一把小石子粘成一塊大石頭扔進(jìn)湖里，就不會(huì)有干涉，而且振幅更大。而粘貼成的那塊大石頭，就像聲場(chǎng)中的線陣列音箱。

上面的例子仿佛說就是把多個(gè)音箱堆疊起來，就可以形成線陣列音箱，這是不對(duì)的。要形成線陣列音箱有嚴(yán)格的條件：

1、陣列的每個(gè)音箱以一個(gè)同相位平面形波陣面工作；

2、陣列的音箱的聲中心之間的間距應(yīng)小于最高輻射頻率波長(zhǎng)的一半。

普通音箱或者揚(yáng)聲器的輻射面是接近于球狀的，而只有平面型輻射面的音箱才能稱之為線陣列音箱，要達(dá)到這種輻射面，喇叭單元中心間距離必須要小于最高輻射頻率波長(zhǎng)的一半。所以，線陣列音箱是專門制造的，普通的音箱是不能變成線陣列音箱的。但是可以依葫蘆畫瓢，將兩個(gè)音箱組成陣列的樣子，看看效果如何。真正的陣列音箱如圖11所示，將教室兩個(gè)音箱組裝成“偽陣列”如圖12所示：

圖11 JBL VRX900線陣列音箱

圖12 教室音箱組合而成的“偽陣列”音箱

下面來看看“偽陣列”音響系統(tǒng)的三維指向性圖，如圖13所示：

圖13 “偽陣列”音箱三維指向性圖

表面沒有波峰波谷，中間卻凸出一個(gè)圓球，因?yàn)檫@是“偽陣列”。按照“陣列的音箱的聲中心之間的間距應(yīng)小于最高輻射頻率波長(zhǎng)的一半”的要求，圖13指示的是1000Hz頻率的三維指向，1000Hz波長(zhǎng)0.34，一半就是0.17米，則喇叭中心間距應(yīng)小于0.17米，而“偽陣列”遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)要求。

將“偽陣列”在教室正中懸掛，如圖14：

圖14 “偽陣列”音箱安裝圖

查看“偽陣列”在教室中的直達(dá)聲分布，如圖15：

圖15 “偽陣列”在教室中的直達(dá)聲分布圖

在講臺(tái)區(qū)還是有峰谷，但坐席區(qū)沒有，只是遵循聲音傳播規(guī)律依次小幅度降低聲壓級(jí)，整個(gè)聲場(chǎng)的最大聲壓級(jí)88.5dB，最小的聲壓級(jí)為82.1dB，不均勻度為6dB，符合要求。

只是這種音箱的吊掛方式，對(duì)于立體聲的呈現(xiàn)是很不利的，可以說，根本不能感受到立體聲。但是，立體聲也并不是簡(jiǎn)單地把兩個(gè)音箱拉開一定的距離，就是立體聲呈現(xiàn)了。立體聲的呈現(xiàn)首先得保證音源是立體聲，其次才能考慮播放器、功放、音箱的配置以利于立體聲的呈現(xiàn)。鑒于如今教室使用的大多數(shù)音源都是網(wǎng)上所得，這些音源經(jīng)過壓縮整合，立體的效果已經(jīng)很弱，遠(yuǎn)已不是真正的立體聲，所以，對(duì)于著重人聲表現(xiàn)的教室來說，這樣的音箱吊裝方式還是可以接受的，畢竟，音質(zhì)的基礎(chǔ)，直達(dá)聲的分布已經(jīng)達(dá)到很好的效果。

四、結(jié)語

多媒體教室的建設(shè)，并不是“只要有聲音出來就行了”那么簡(jiǎn)單，通過使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法，可以看到，只要針對(duì)性的做些聲學(xué)處理，可以極大改善教室的音質(zhì)。此次混響時(shí)間和直達(dá)聲分布的優(yōu)化，除了優(yōu)化混響時(shí)間需要購買多孔吸音板，而直達(dá)聲的優(yōu)化則是一分錢都不花的，且達(dá)到了預(yù)期效果。需要強(qiáng)調(diào)的是，此次直達(dá)聲的優(yōu)化只有利于語音的傳播，不利于聲相的定位，對(duì)于教室來說，是合理的。

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)只是在假設(shè)電聲系統(tǒng)達(dá)標(biāo)的情況下展開，如果要真正設(shè)計(jì)一個(gè)音質(zhì)優(yōu)秀的多媒體教室，電聲系統(tǒng)也是一個(gè)必須要考慮的因素。

[1]高玉龍.廳堂建筑音質(zhì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)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

（責(zé)任編輯：楊建香）

2016-09-25

郭榮橋（1984-），男，廣西賀州市人，網(wǎng)絡(luò)工程師和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)。