声音的吸收和反射

第一节　声音的吸收和反射

声音一般倾向于沿着非穿孔的小型障碍物“绕射”过去，但是像房间边界这样的大表面一般部分是弹性材料，部分是多孔材料。因此，当声音撞击到这样的表面时，其能量一部分被反射，一部分被吸收，而一部分穿过边界继续在另一边传播(如图5-1所示)。

图5-1　声音撞击大的边界表面

所有这三种效果都会随着频率和入射角度而变化，在典型的情况下，它们并不随声强度而变化。通常认为声压是处在声频工作范围内，大多数结构材料有相同的反射、吸收和传输性能，而不管是极弱的或极强的声波撞击边界表面。

在研究封闭空间内的声音现象时，必须能够估算出声波每次撞击某一边界表面或房间内某一物体时损失的声能。这通常可以通过常用的建筑材料的吸声系数表来计算。

除非有特殊的说明，否则所给的吸声系数都是指对于所有可能的入射角的平均吸声系数。从实用的角度出发，当声波随机入射时，吸声系数要符合典型封闭空间的情形。在此情形之下，声波可能会被每个边界表面从所有可能的方向反射。

标称的吸声系数是针对多个不同的频段给出的，一般每个频段为1oct宽度，标准中心频率为125Hz、250Hz、500Hz和1k Hz等。在音响系统设计中，通常掌握三个或四个频率范围以上的材料吸声特性就足够了。在本书中，我们采用的是频带中心频率在125Hz、1k Hz和4k Hz时的吸声系数标称值。

按照Sabine建立的概念，吸声系数为0-1。Sabine提出，可以认为一个开放的窗户是完全的吸声体(因为不存在声反射)，并且其吸声系数一定为100%或1；与此相对的是，将全部声音反射回来的材料，它不吸收声能，其吸声系数为0。

房间的总吸声量可由Sabins给出。Sabin是由Sabine命名的吸声量单位，它等于1m²的开放窗口的吸声量。例如，假定所给的材料在1k Hz时的吸声系数为0.1，在房间中100m²的这种材料的总吸声量为10个Sabins。

目前，通常用平均吸声系数来表示封闭空间的吸声情况。例如，如果房间的总表面积为1000m²，其中吸声系数为0.8的材料200m²，吸声系数为0.1的材料800m²，则房间的整个内表面区域的平均吸声系数为0.24。

面积×吸声系数=Sabins

200×0.8=160

=240/1000=0.24

平均吸声系数的优点是，它不受任何特定测量系统的限制。无论房间的表面是用ft²或m²，0.15的平均吸声系数完全相同。另外，采用平均吸声系数可解释混响时间、直混比，以及稳态声压的问题。

表5-1　以吸声系数为函数的反射系数(dB)

续表

通常在使用吸声系数时不考虑其精确度，并且通过简单的数学平均来计算出房间的平均吸声系数。虽然这并不会在很大程度上影响计算的可靠性，但重要的是在使用吸声系数时能实现可靠的容限。通常，设计允许的偏差为±10%。

那么，材料的吸声系数与反射声波的强度之间是什么关系呢?在某些特定频率和入射角下，0.2的吸声系数意味着有20%的声能被吸收掉，有80%的剩余声能被反射回来。转换成分贝时，可以采用如下简单的公式：

10lg0.8=-0.97dB

在所给的例子中，反射声能与直达声能之比大约为-1dB。换言之，这时反射波较表面产生100%反射时的强度弱了1dB(见表5-1)。

在实际应用中，使用分贝有方便之处。假定我们打算改善一座小型剧场的声学条件，它存在着由后墙产生的明显“拍音”。要想使拍音的强度减小3dB，则后墙必须采用吸声系数为0.5的材料来做墙面处理。要想使拍音的强度下降一半(减少10dB)，则要求将对后墙处理的材料的吸声系数增加到0.9。但由于大多数材料的实际吸声能力会随入射角而变化，即声波正面撞击时所表现出的吸声系数要比随机入射时小，这时所吸收的声能也相应减小，所以加大了难度。

大多数声学材料是多孔材料，一些声学理论工作者将其“模糊”处理后进行归类。声音在通过多孔材料时，气流产生的阻力使声能被吸收，并且将声能的一部分转化成热能。

如果将多孔材料直接安装到硬的混凝土或其他硬质的非吸声表面时，由于不存在空气运动，所以在两种材料的边界上不产生声吸收。

如图5-2所示，声波是以零度入射角撞击边界的。反射的声波以入射相反的方向离开边界，它与以后的声波相混合，产生了典型的驻波图案。在两种材料的边界上的粒子的速度是非常小的(理论上为零)，并且也是以1/2波长的长度脱离边界。空气粒子的速率在距边界1/4波长的位置处达到最大。从这个简单的物理关系，可以明显地看到，除非吸声材料的厚度与1/4波长相比大得多时，否则其效果将是很小的。

图5-2　由固体边界产生的声反射干涉

该物理模型也解释了当多孔材料与边界表面之间存在空间时，吸声能力会大幅度加强的原因。可以在吸声材料层与墙面之间增加一个精确的1/4波长的空间，由于粒子速率在墙面的值为最大，所以有效吸声能力成倍增加。因为声波是从各种可能的方向到达的，所以情况变得复杂。但是，其基本的效果仍是一样的：通过增加多孔材料的厚度，或者在材料与非吸声边界表面之间加入隔层空间，都可以增强多孔材料的作用。

薄的木板或其他材料也吸收声能，但它必须是自由振动的。当它在声压的作用下振动时，摩擦损耗将一些能量转化为热能，使声音被吸收了。与其他电路相同，薄片式吸声体趋于在某一频带上产生共振，所以使用时必须十分小心。其最大的优点就是它在低频上的吸声特性，达到相同吸声效果时所需的厚度要比多孔材料小。图5-3中所示为反射系数，而不是吸声系数，它与一般的频率响应曲线相一致，其“向上”意味着电平更大，而不是衰减更大。

图5-3　薄的胶合板产生的反射

另外一种谐振式吸声体也偶尔用于声学工程中，这就是亥姆霍兹(Helmholtz)共振器——一个不带扬声器的反射型音箱。利用这种吸声原理制成的专利建筑材料，称为Soundblox，可以用于体育馆、游泳池，以及其他不能采用多孔材料的建筑。