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1、建筑声学原理基础 Post By：2007-1-24 9:11:21一、室内声音的传播 1. 反射与前次反射 声波在传播过程中，若遇到比它波长大的物体表面，便会产生反射。当反射面比声波的波长大很多时，反射规律与几何光学相似，即声线的反射角等于入射角。这时，我们可以用几何声学来研究反射的情况。 我们把听到直达声后50ms以内到达的反射声称为前次反射或早期反射。由于哈斯效应，前次反射声人耳不但分辨不出来，而且还会将它当作直达声的一部分，在主观效果上增加了声音的响度但又不会影响清晰度。这也是为什么在室内讲话时要比在室外讲话听起来声音响一些的缘故。 剧场与音乐厅的前次反射强弱程度是一个很重要的声学条件
2、，18世纪在欧洲建造的一些古典音乐厅，以音质效果极佳而著称于世，曾使很多声学家和建筑学家感到迷惑。但后来的研究和工程实践表明，一些优秀的古典音乐厅，除了良好的声扩散与适度混响之外，很重要的原因是这些剧场或音乐厅的观众席有足够的前次反射，尤其是来自侧向和顶棚的前次反射声增加了室内声能密度，提高了音乐的空间感和丰满度。 2. 混响与最佳混响时间 混响是建筑声学中最重要的参数之一，适度的混响，可以明显的改善声音质量，改变音乐的音色和风格。 我们已经知道，室内的声波遇到四周墙面以及地面和顶棚会产生反射，而这种反射过程是往复多次的，从而延长了到达听者的时间。如果这些反射声在直达声到达听者50ms后仍多次
3、反射而继续存在，直到一段时间后才衰减消失，听起来有一种余音不绝的感觉。这种过程与现象，我们称为混响，即交混回响之意。 那么，如何确定混响从建立到消失的时间呢？也就是说，如何确定混响时间呢？上个世纪初，声学家赛宾（W.C.Sabie）通过研究后提出：当声源停止发声后，残余的声能在室内往复反射，经吸收衰减，其声能密度下降为原来值的百万分之一所需要的时间，或者说，室内声能密度衰减60dB所需要的时间称为混响时间。 混响时间的实测值与计算值会有一定的差值。一般来说，低频混响时间的实测值小于计算值，高频混响时间的实测值大于计算值。在实际计算时应根据经验作一些修正。 混响时间对声学品质的影响是众所周知的，
4、过长过短都会使观众感到疲劳。只有适当的混响时间，才会使观众处于一种赏心悦目的艺术享受之中，此时声音丰满动听，音符生动活跃、语言亲切温柔，使观众有强烈的空间感和丰富的色彩感。 那么，多长的混响时间才是最佳的呢？ 事实上，很难确认一个统一的最佳混响时间标准，没有一个确定的数据，很大程度上是个范围值。不同类型，不同风格，不同专业用途的剧场都有不同要求。而且，它还受民族文化背景的影响。因此，各国发表的数据都不尽相同。 低频段混响时间稍长有利于音乐的丰满度和语言的温暖感，适宜于各类音乐演出，而高频段混响时间长一点，则容易表现泛音，增加音乐“水分”与鲜活感。 不同频率的不同混响决定了剧场的音色特性。在硬质
5、装饰材料的环境中，高频混响时间长，音色冷艳，音色效果能模仿出山洞，水泥大厅，大理石宫殿等。而软质装饰材料的低频混响突出，音色偏暖，有着古典音乐厅与歌剧院的特色。 3. 声能比和等效混响 混响在主观感觉上还与一个物理量有关：等效混响。 等效混响时间的存在，要求我们在舞台扩音与录音时要充分考虑其影响，因此，我们建议，对大型乐队、歌剧的舞台扩音或录音应采用整体式远场拾音，不宜采用多点式近场拾音，传声器的指向性不可太锐，以充分拾取到剧场空间自然混响声，使音乐更趋于丰满、自然。 4. 回声 回声与混响是有区别的。 混响在英文中是Reverberation，是指声音经过多次往复漫反射，包含多个不同角度、不
6、同时间到达的混合反射声逐渐衰减形成，听者分辨不出其中的任何音节。 而回声是一种单一固定的反射声，它的强度和时差都大到足以和直达声区别开，并能分辨出音节。回声的英文名称是Echo。 一定的混响对音质有利，而回声则只能破坏音质，应绝对避免。 消除回声的方法是进行声扩散处理。驻波 历史版本驻波（standing wave）Top频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波1。例如，如图所示，一弦线的一端与音叉一臂相连，另一端经支点O并跨过滑轮后与一重物相连。 音叉振动后在弦线上产生一自左向
7、右传 播 的行波，传到支点 O 后发生反射，弦线中产生一自右向左传播的反射波，当弦长接近12波长的整数倍时。两列波叠加后弦线上各点的位移为（设音叉振动规律为uAcost） u（x，t）2Asin（x）sin（ t ）A（x）sin（t），弦线上每个固定的点均作简 谐运动，但不同点的振 幅不同，由x值决定。振幅为零的点称为波节，振幅最大处称为波腹。波节两侧的振动相位相反。相邻两波节或波腹间的距离都是半个波长。在行波中能量随波的传播而不断向前传递，其平均能流密度不为零；但驻波的平均能流密度等于零，能量只能在波节与波腹间来回运行。由於节点静止不动，所以波形没有传播。能量以动能和位能的形式交换储存，亦
8、传播不出去。测量两相邻波节间的距离就可测定波长。各种乐器，包括弦乐器、管乐器和打击乐器，都是由于产生驻波而发声。为得到最强的驻波， 弦或管内空气柱的长度L必须等于半波长的整数倍，即，k为整数，为波长 。因而弦或管中能存在的驻波波长为，相应的振动频率为，为波速。k1时，称为基频，除基频外，还可存在频率为kn1的倍频。入射波（推进波）与反射波相互干扰而形成的波形不再推进（仅波腹上、下振动，波节不移动）的波浪，称驻波。驻波多发生在海岸陡壁或直立式水工建筑物前面。紧靠陡壁附近的海水面随时间虽作周期性升降，海水呈往复流动，但并不向前传播，水面基本上是水平的，这就是由于受岸壁的限制使入射波与反射波相互干扰
9、而形成的。波面随时间作周期性的升降，每隔半个波长就有一个波面升降幅度为最大的断面，称为波腹；当波面升降的幅度为0时的断面，称为波节。相邻两波节间的水平距离仍为半个波长，因此驻波的波面包含一系列的波腹和波节，腹节相间，波腹处的波面的高低虽有周期性变化，但此断面的水平位置是固定的，波节的位置也是固定的。这与进行波的波峰、波谷沿水平方向移动的现象正好相反，驻波的形状不传播，故名驻波。当波面处于最高和最低位置时，质点的水平速度为零，波面的升降速度也为零；当波面处于水平位置时，流速的绝对值最大，波面的升降也最快，这是驻波运动独有的特性。7.2管乐器的振源簧片簧片就是在气流作用下可以产生振动的物体，它可以
10、分为两大类型：一种簧片在气流的作用下只能发出固定频率的声音，它的频率就是簧片作自由振动时的频率(固有频率)，这种簧片称为固定簧，它们大都由金属制成，用在口琴、脚踏风琴、手风琴等固定音高的乐器上；另一种簧片的振动频率受气流大小的影响，气流越急频率越高，这种簧片称为浮动簧，它们大都由柔软并且富有弹性的物质构成，其中最常用的是芦苇簧片，也称哨片。有人吹嘴皮子或吹口哨时可以吹出不同的音高，这是因为嘴唇和孔穴周围的空气也可以构成簧片，我们分别称其为唇簧和气簧，它们也属于浮动簧。要注意的是，固定簧和浮动簧的界限不是很严格的，因为固定簧的振动频率会受气流的影响发生微弱的变化。有些簧片的类型很难确定，例如人的
11、声带，喉头的肌肉可以控制声带，让它发出指定的频率，但它受气流的影响频率会有所变化，这种变化要比金属簧大得多。簧片的发音是由气息和嘴形来控制的，各种簧片的灵活程度是不一样的。固定簧虽然频率固定，但是最容易控制，只要有气流便可以发音。唇簧和气簧要比哨片更容易控制，灵活性更好，哨片当中也有所区别，双层哨片比单层哨片更难控制，所以双簧管是管乐器中最难吹的一种。图7-1簧片的分类7.3管乐器的发音原理 要了解吹管振动的物理原理驻波，我们先来看一个实验。图7-2是个测定声速的实验，这里只描述实验现象：喇叭的频率是可调节的，只有频率调节到特定值，水面上的特定位置才会产生喷泉，此时声波在水管中形成驻波。 图7
12、-2驻波实验 管乐器的原理是一样的，簧片的振动必须达到特定频率，管腔中才会形成驻波，这种现象称为共振。除了单簧管和封闭管(如排箫和吹瓶)外，几乎所有吹管的共振条件都是： 这个共振条件称为偶数共振条件，单簧管和封闭管则符合奇数共振条件： 形成驻波时，如果管的两端振动强度都达到最大(波腹)或最小(波节)，那么频率满必须足偶数共振条件，大多数管的两端都位于驻波的波腹。反过来，如果管的一端是波腹，另一端是波节，那么频率必须满足奇数共振条件，单簧管的吹嘴(哨片)是波节，管口是波腹，而排箫和吹瓶的吹嘴(它们属于气簧)是波腹，管底是波节。 单簧管和萨克斯管的哨片都是单层哨片，不同之处在于，单簧管的哨口是筒型
13、的，萨克斯管的哨口是锥型的，它们的略微差异使得哨片和管腔发生本质上的变化。单簧管的哨片振动幅度小，形成驻波时位于波节，产生奇数共振，萨克斯管的哨片恰好相反，所以它产生偶数振动(见图7-3)。 单簧管的驻波示意图(第二泛音)萨克斯管的驻波示意图(第二泛音)图7-3偶数共振条件和奇数共振条件浮动簧的振动频率只要接近管的某个共振频率，就会和吹管发生共振，产生驻波。所以决定簧片频率因素的实际上是管的共振频率，即管的有效振动长度。根据公式，吹管有多个共振频率，演奏者除了通过改变管的有效振动长度外，还要通过改变簧片的状态来选择哪个共振频率，例如改变气流的大小，改变嘴唇或哨片的松紧等，这可以通过嘴形、气息和
14、吹管上的八度开关来实现。当然，如果簧片的振动频率与管的共振频率相差太大，就不可能发生共振类别：音乐 | | 添加到搜藏 | 分享到i贴吧 | 浏览(170) | 评论 (0) 上一篇：弦乐器的性能 附2 下一篇：管乐器的特性 2 管乐器的发音原理管乐器的发音原理管要了解吹管振动的物理原理驻波，我们先来看一个实验。图7-2是个测定声速的实验，这里只描述实验现象：喇叭的频率是可调节的，只有频率调节到特定值，水面上的特定位置才会产生喷泉，此时声波在水管中形成驻波。图7-2驻波实验管乐器的原理是一样的，簧片的振动必须达到特定频率，管腔中才会形成驻波，这种现象称为共振。除了单簧管和封闭管(如排箫和吹瓶)
15、外，几乎所有吹管的共振条件都是：这个共振条件称为偶数共振条件，单簧管和封闭管则符合奇数共振条件：形成驻波时，如果管的两端振动强度都达到最大(波腹)或最小(波节)，那么频率满必须足偶数共振条件，大多数管的两端都位于驻波的波腹。反过来，如果管的一端是波腹，另一端是波节，那么频率必须满足奇数共振条件，单簧管的吹嘴(哨片)是波节，管口是波腹，而排箫和吹瓶的吹嘴(它们属于气簧)是波腹，管底是波节。单簧管和萨克斯管的哨片都是单层哨片，不同之处在于，单簧管的哨口是筒型的，萨克斯管的哨口是锥型的，它们的略微差异使得哨片和管腔发生本质上的变化。单簧管的哨片振动幅度小，形成驻波时位于波节，产生奇数共振，萨克斯管的哨片恰好相反，所以它产生偶数振动(见图7-3)。单簧管的驻波示意图(第二泛音)萨克斯管的驻波示意图(第二泛音)图7-3偶数共振条件和奇数共振条件浮动簧的振动频率只要接近管的某个共振频率，就会和吹管发生共振，产生驻波。所以决定簧片频率因素的实际上是管的共振频率，即管的有效振动长度。根据公式，吹管有多个共振频
