对声音清晰度的一般要求

第八节　对声音清晰度的一般要求

对声音清晰度的要求在未放大时和放大时是基本相同的，最重要的因素是：

(1)声音声压级与环境噪声声压级。由于空调系统和外部干扰的存在，所以应当将噪声减至最小。噪声的声压级应为25dB，或大大低于声音的最低声压级。但是，由于扩声后的声音的声压级相当高，而且可能是在室外，噪声声压级比声音低10dB—15dB是可以接受的。

(2)混响时间。声音的音节为每秒3或4次。如果混响时间为1.5s或更小，则混响对声音清晰度的影响是最小的。

(3)直混比。对于混响时间大于1.5s的情况，声音的清晰度是混响时间和声音的直混比的函数。

我们建立了一种评价声音清晰度的方法，它在音响系统的设计中有相当大的作用。可以归结如下：

(1)在实际情况下，辅音的清晰度损失可以当做清晰度的唯一指示标准。

(2)辅音的清晰度下降15%，是可接受的清晰度最大的下降量。换言之，辅音的清晰度下降量超过15%，对大多数听音人而言，声音的清晰度是不可接受的。

(3)对于具有典型性的房间，可以评估出辅音的清晰度损失，辅音的清晰度损失是混响时间和直混比的函数。

(4)当听音人远离说话人时(直混比下降)，辅音的清晰度损失量加大。这就是说，随着直混比的下降，清晰度也下降了。但是这种关系只有某一距离上成立，其他的地方就不会有类似的变化发生。边界对应的直混比为-10dB。

如图6-13所示每条斜线代表的是特定的混响曲线。每条搁架线的转折点对应的是-10dB的直混比。应注意的是根据房间的混响时间的情况，搁架可能处于15%的数值上下。这与其他的清晰度信息是一致的。例如，Rettinger指出，混响时间小于或等于1.25的房间中，直达声和早期反射声占总声场的较大部分。相反，任何工作于诸如游泳池或体育馆这种极大混响空间的人都会知道，在临界距离之外的任意一点上，清晰度会急剧恶化。根据图6-13，混响时间为5s的空间中，辅音的清晰度损失为15%时对应的直混比只有-5.5dB。

图6-13　辅音清晰度损失与混响时间和声音直混比的关系

为了便于音响承包商使用，我们重新进行绘图(如图6-14所示)。我们根据计算得出辅音清晰度损失，以“可接受”、“好”或“非常好”来评估说话人或音响系统的清晰度。

图6-14　辅音清晰度损失概率与混响时间和声音直混比的关系

根据座位席的大小，房间的声学特性会有很大的不同，应以最差情况下的条件为基础来进行计算。尤其是一些有大混响的教堂，当教堂几乎是空场时，要想在整个座位区取得良好的清晰度可能不存在一个实用的方法。解决的方法包括进行声学处理，以减少教堂满场和空场时的差别，或者在会众很少时(假定很少的会众被劝说坐到前排的长椅上)，采用合理的音响系统设计，让扩声只送给前排长椅处。

另外，局部声学条件的存在，并不在统计理论的考虑范围之内。因此，以往的研究成果或公式均不涵盖这一因素。这种干涉形成的局部死点或区域，可能在安装音响系统之前不会产生。在大的混响空间中，音响系统的设计始终要有足够的灵活性，以便处理这种意外事件。

我们只简要阐述由不需要的背景噪声引发的掩蔽效应。这种不需要的噪声，可能是由外部环境、空调设备、后台机械设备或观众本身发出的。就良好的听音条件而言，以A加权测得的环境噪声的声压级至少要比想要的信号低10dB。由于在强背景噪声存在时，重放声音的最佳声压级是65dB-70dB(A)，所以坐满观众时的背景噪声不应超过55dB(A)。在剧场和音乐厅中，声学设计人员通常总是努力将空场时的背景噪声降低至不超过25dB(A)的声压级上。在教堂或会议室中，空场时最大可允许的背景噪声大约为40dB(A)。

音响系统不能无限制地提高输出。许多情况下，要想达到60dB-65dB(A)的可用工作声压级而不产生反馈，是有相当大的难度的。所以，可以清楚地看到，由于存在过大的背景噪声，可能使一些性能良好的扩声系统的发挥并不令人满意。

以前人的分析方法作为例子，看其是如何分析采用音响系统的。我们研究的对象是在大混响的教堂中采用的扩声系统，其细节如图6-15所示。

图6-15　清晰度条件的分析

V=14000m³

S=3740m²

RT=4s

a=0.14

R=610m²

HFeff(%)=20%

混响SPL=10log[(2w×0.2)/610]+126=94dB-SPL

直达声声场数据：

(1)在45m处为2366∶1w，产生85dB。

(2)在26m处为2360∶1w，产生85dB。

假定中频段的混响时间为4s，设计人员的首选方案是在圣坛上方的高处设置单点扬声器组。大部分声场覆盖都对扬声器组的指向特性有要求，我们假定扬声器组包括两个双辐向号筒：远区覆盖为20°×40°，而近区覆盖为90°×40°。我们需要计算出观众席中所选点上的直混比，以决定可接受的清晰度条件能否被满足。进行这种计算最直接的方法，就是计算出给定功率输入的各只号筒在房间中产生的总混响声压级，并比较每只号筒在其覆盖角度上所提供的直达声覆盖情况。

图6-15的分析表明，当两只号筒分别加入1w的功率时，室内的混响声场是94dB-SPL。每只号筒在其覆盖角度范围上所产生的直达声声场声压级大约为85dB，这使得直混比为-9dB。通过图6-14可知，系统将处在清晰度的边缘上。应注意，对于4s的混响时间，如果要达到可接受的可懂度，则直混比至少不低于-7dB。这种简单的分析告诉我们，根据该理论计算，我们所设计的音响系统可能是不能令人满意的。

如果系统是由单只号筒组成的，那么利用其轴上的DI和Q数据，可以很快计算出临界距离，并且从D₀得到直混比。但是，对于这里所分析的复合扬声器组而言，可供使用的DI或Q值不是唯一的数值。根据换能器的灵敏度，利用已知的换能器效率直接计算出总体的混响声压级，并与直达声声场相比较，这种方法是解决问题的最快方案。

但问题是在这种大共振的房间中采用何种系统呢?很显然，需要的是分布式系统。在这样一个系统中，许多以较低功率驱动的扬声器被安放到教堂两侧的柱子上，每只扬声器覆盖的距离可能不到5m或6m。采用这种方法，直混比可以保持在高水平上。如果这样一个系统再经过相应的延时进行进一步的分区，那么效果会相当自然，主观上的声源定位维持在听音空间的正前方。其细节如图6-16所示。

图6-16　大型教堂中的分布式系统

另外，我们再计算出总的混响声压级，并将其与要求每只扬声器处理的最远投射相比较。共有14只扬声器，每侧各7只。假定这些换能器的效率为1. 2%，其灵敏度为95dB、1w/m处。为每只扬声器馈送1瓦的功率时，最终产生的总的声功率为14× 0.12，即0.17w。再次使用图5-20，我们可以看到混响声压级将为92dB。就是说，每只扬声器的最长覆盖距离必须达到4m，因为1w、1m时的灵敏度为95dB，所以每只扬声器的直达声声场均将降低12dB，即83dB。

所以，直混比为-9dB。这仍然不够好，必须记住的是，有多于一半的听众是坐在距扬声器不到4m的地方；另外非常重要的一点是，分布式扬声器几乎完全是对着听众的，其吸声系统远大于0.12的值。所以在计算中，要用R’来代替R。

对于观众坐席区，在1k Hz频带上的α’值为0.95，以此来计算R’：

R’=/(1-α’)=375/0.05=7500m²

从图5-18重新计算混响声压级，得到的结果是80dB，则新的直混比为+3dB，系统能相当好地工作了。

混响声压级确实只有80dB吗?实际上，我们可以看到有时会稍高于80dB，但并不会明显地改变分析的结果。

人们可能要问的是，利用R’做的分析，是否将会从本质上影响中央扬声器组系统的工作性能呢?准确的分析会有些乏味，但我们可以做简化的假设。我们假定来自中央扬声器组直达声的一半入射到吸声系数为0.95的听众区，我们进行四舍五入，设其为1，即听众区不反射回任何声音，这样将使房间的混响声压级仅降低3dB，还不足以使直混比可行。

在这一章中，我们已经进行过多种分析。其中，这种分析方法指出了声音系统设计上的多重复杂性。我们要再次指出，不存在一种简单的解决方案或公式，应进行广泛合理化分析，折中考虑多个因素。