王波：噪声与声音的反射和吸收

内容大纲

一、噪声的概念及其应对方法
1、什么是噪声
2、三类噪声来源
3、噪声的负面影响
4、减弱噪声的途径

二、声音传播的基本性质
1、声音的反射及反射定律
2、三种基本吸声类型
3、混响的概念及其计算方法

本节课程的主要内容是噪声以及声音传播的基本特性。

当今社会有四大污染，水污染大气污染，固体废弃物污染以及噪声污染。

噪声，从物理角度看，和谐的声音叫做乐音，不和谐的声音或发声体无规则振动时发声的声音叫做噪声。我们从环保角度来看，凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音，以及人们要听到的声音产生干扰的声音都属于噪声。因此一句话来概括，人们不需要的声音就叫做噪声。我们日常生活中的噪声来源主要分为三类，工业噪声、交通噪声以及生活噪声。我们了解一下各种场所的噪声及。当飞机起飞着陆时，它的正下方可以达到120分贝。列车通过铁路桥时可以达到110分贝。地铁行车时，车厢内可以达到100分贝。公共汽车行驶中车厢内可以达到90分贝。白天的十字路口为80分贝左右。普通人的讲话为70分贝左右。安静的街头为60分贝左右。安静的办公室有50分贝左右。安静的住宅小区，白天为40分贝，夜晚约30分贝。

噪声会影响人们休息工作和学习，干扰语言交流，噪声可以引起耳部的不适，如耳鸣、耳痛，甚至使人的听力受到损伤。噪声对人的心理和生理都会造成危害，轻则分散注意力、影响情绪，重则可能伤害身体，甚至会危及生命。噪声还会引起心血管系统和中枢神经系统的疾病，发生心律不齐、血压升高、消化不良等症状。噪声还能降低劳动生产率，使人烦躁，容易疲劳，反应迟钝。噪声对设备也会带来影响，对建筑物也会造成损坏。所有的房间或空间都会有一定量的背景声音和环境声，并且这种声音会持续保持。有些空间内比较稳定，比如办公室，这种背景声的来源是多种多样的，例如通风空调系统，还有门窗外的交通噪声和其他建筑的振动声等。在全封闭式的办公室内，背景噪声在早晨上班开始时会感觉到很明显，但是时间一长就会觉得没有那么吵了。但有时候这些不太引人注意的背景噪声，也会让两个人之间的对话变得有点模糊。即使是雷电声，如果电平低到比背景声还低，也会听得见。背景声就像是一只面具，套在一个有用声的外面，令它听起来灰暗。在我们探讨的声学中，背景声和有用声必须综合在一起考虑。

一般来说，减弱噪声有三个途径，防止噪声产生、阻断噪声的传播、防止噪声进入人耳，即在声源处减弱，在传播中减弱，在人耳处减弱。

在声源处减弱，采取改造生源结构，减少声源强度，安装消声器等办法。在传播过程中减弱，如设置隔音室，铺设新材料，砌砖墙体，种植树木等办法把声源与外界隔开。在人耳处减弱，如佩戴防护耳罩。

声音是由振动产生的，它可以通过建筑结构将震动非常容易地从一个房间传到另一个建筑结构上去，并且和在空气中一样呈辐射状态，这种现象也几乎无处不在。产生的主要原因有两个，首先也是通常建筑结构中最麻烦的通风系统设备的振动，例如风扇风洞等等。对一个静音室来说，这种声音的影响是非常重大的，也是我们不希望得到的结果。

另一个原因就是声源体自身的振动引起了不必要的噪声。例如扬声器本身的震动，特别是低频运动对扬声器自身造成的震动，多数这样的震动会通过结构直接进入建筑结构，随后以不同路径向四面八方蔓延，其中有一些就进入了我们不希望它进入的房间，而且因为建筑结构与路径的不同，这些震动传达过来的声能会有不同时间的延时，最终导致的结果就是把有用的声音弄脏。隔震问题始终是件麻烦的事情，也是很复杂的。我们这里介绍一些基本的方法和概念，尽可能在以后的工作和使用中避免减少以上情况。

下面我们来了解一下声音的反射。当声波遇到一块尺寸比波长大得多的障碍物时，声波将被反射，类似于光在镜子上的反射。假设声源在自由声场，或者在一个较为空旷的地方，生源会向各个方向辐射声音。在这个过程当中，经过你身边的直达声是绝对不会反射回来的。如果现在把该声源放置在房间内，当声音从你身边经过，然后撞击到房间边界，就会反射回来。直达声在经过你身边之后会有许多反射声再次经过，直到声音完全消失。由许多反射声所组成的声音与自由声场中的声音是完全不同的。反射声当中包含了房间的尺寸、形状及边界构成等重要信息。他帮助我们了解房间的声音特性。

声音反射的原则是当声波遇到平面墙的时候，反射声波和垂直于墙壁面反现所形成的角度与入射声波和法线所形成的角度相等，其入射线与反射线在反射面法线的两侧，而且入射线、反射线、反射面的法线在同一个平面内，入射角等于反射角，这就是反射的定律。

当声波作用在物体上时，一部分声能被反射，一部分被吸收，一部分穿透到另一个空间。声音会被吸收，原因之一是当声波碰撞到一个物体时，如果物体不是刚性体就会产生振动。这就是说声能转换成物体振动的能量，然后物体内部材料的摩擦损耗会吸收一部分能量，声波在撞击穿过一些多孔材料时，也会损耗一部分能量。这是由于这些材料有很多的纤维和孔洞，因此声波有很大的接触面，使声波的速度分量与物体表面相互作用时产生摩擦损耗，接触面越大，能量的损耗越大。因此多孔材料，如织物或岩棉具有很强的吸声能力。由于不同材料对声音的吸收能力不同，因此引入了一个专业术语“吸声系数”，用阿尔法来表示。如阿尔法等于0.75，则表示75%的声音能量被吸收。被吸收的那部分声音可以认为他们穿越到了室外，并且没有被室内各墙面反射回来。

阿尔法的范围是0到1。不同的材料对频率的吸收能力是不同的，如普通的地毯可吸收10%的低频和60%的高频，被吸收的声音能量通常转换成热能。但正常情况下，声能换来的热能都非常弱。根据不同材料吸声方式的不同，可以分为三种基本吸声类型，一摩擦，通过摩擦吸声。二曲面，通过曲面吸声，或扭曲变形表面。三共鸣，通过空洞效应吸声。

我们了解一下摩擦吸声，声音在空气中传播时，空气分子与阻碍物会产生摩擦，从而降低分子运动的速度和能量，这样就可以吸声。特别是当声音通过海绵状物体时，空气分子与海绵内的空隙接触，导致大量空气与海棉产生摩擦，吸声能力因而大为提高。所以许多摩擦吸声系数就采用海绵状物体。其物理特性为摩擦吸声，产生较高的热能，摩擦吸声，对中高频较为有效。增加摩擦吸声物的厚度，可吸收较多的低频，将摩擦吸声物移离墙壁或者天花板，留有一些空间，然后填充一些更松软的绒状物，可以更有效地吸收低频。因为这样可以有效抑制低频状态下空气分子的速度。通过纺织物可以有效进行高频吸收，或者用表面附有织物的玻璃纤维板。在这里要注意，摩擦吸声物不可以作为隔音使用。

曲面吸声为：当有足够的声波冲击一个较为薄的表面时，特别是低频，如果用精密的测量设备，可以发现该薄片表面会产生一些曲张，随声波的状态，表面会被推线或突起，这种运动产生的能量会转化为热能。特征是这种吸声方式主要针对低频，吸声范围通常在低频部分的1到2个八度范围以内，弯曲吸声材料厚度一般小于3/4英寸，可以是石膏板、胶合板之类，表面较松软、有韧性的材料。

共鸣效应吸声是根据共振器原理进行吸声，是最为有效的吸声方式。但是要求具备封闭、平坦与开放的表面和无障碍的纵深环境。在此环境下，声音频宽度会变得比较有克制力，特征为：共振吸声器原则上可以对付各种频段的声音，但一般更适合低频。如果在共振吸声体内填充绒毛状材料，吸声范围可扩展到2到3个八度范围，但最大音量会随之衰减。共振吸声适用于比较重要的吸声部位，我们将全反射的房间称为混响室，全吸收的房间称为消声室。所以在此我们要重点介绍一下混响这个概念。

在一个普通的房间内，大多数声音会被反射造成混响，混响的表现状态随声源与空间条件的不同而不同，但它有一个特征是不变的，那就是它总是随时间而产生音量变化，因此对它的定义是，当声源体停止发声后，声音的持续停留时间称为混响时间。在这一领域，我们通常听说的混响就是指混响时间。因此混响用的是一个时间单位，在同一房间内，声音越大，反射次数越多，吸声能力越强，反射次数越少。反射次数可以通过音量和吸声参数来计算。假设房间内的吸声材料只对某个既定的频率吸声，那么可以认为房间内的吸声总量是固定值，即各种材料的吸声量之和。房间的吸声总量决定于各种材料的表面积，各种吸声系数。

我们通常是用一个最简单的计算混响率的公式，T60等于0.5V/ a。T60是混响时间，单位为秒，V是房间的体积，a表示吸声总量。0.5是一个常数，是由测试计算分析后得出的数值。在这里，T60是个非常重要的概念，可以说是它具体定义了什么叫做混响。T60是指声源停止发声后，延续声衰减60db所需要的时间。当然也有T30及延时声衰减30db所需要的时间，但绝大部分场合，我们至今还是使用T60作为混响的通用定义。之所以这里采用衰减60db，是因为对于自然产生的绝大部分声音来说，衰减60db后，人在自然生活状态下是听不到的。

著名学者塞宾教授，是第一位通过量化手段来计算吸声量的实验者，它的测试方法是在一个会堂里，通过测试每个软垫座椅的位置，以及不同混响时间差来进行统计分析。1898年，赛宾教授得出了一个公式，这个公式常用于计算混响时间和伴随的音量变化趋势，我们称之为赛宾公式。赛宾公式计算用于实践的首个案例是波士顿交响乐大厅的设计，这也是第一家以工程声学为原理设计的音乐厅。

对于不同频段，早期的大部分数字混响器里，只采用同样的混响时间来渲染，这种方式可以令算法大大简化，通常还可以通过控制反射的频率、次数来模拟混响时间，但其真实感也受到了很大削弱。因此，真实状态下，不同频段的混响反应是不同的。因为成本关系，目前只有小部分器材或软件可以细致控制不同频段的混响时间。

由于赛宾公式在计算混响时间时，只考虑了一个理想状态：即所有声音均匀分布在一个有限的可分辨空间里。他忽略了因不同材质空间的立体形态等造成的影响，从而忽略了声音实际分布和反射等各种客观因素。所以T60这个值只能反映一个有限空间的基本混响状态，并且赛宾公式不适于有极强吸声能力的室内空间。因为在这种空间内，混响事件的变化趋向为零。

计算T60的另一种方式是使用诺里斯-亚林公式去做近似估算。这个公式常用于计算一些外形特殊的室内空间的混响时间。费兹罗公式也用于近似计算，比较适用于具有平行表面的房间，例如有地毯和装饰过的天花板墙，但墙面材料较硬的空间。尽管如此，实际上没有任何一个单独的公式可以适用于计算不同条件下吸声与混响时间的状态。只能根据不同的实际情况去选用不同的计算方式，只不过赛宾公式是使用最多的。对于这一点，我们在实际操作中需要特别注意。

从物理角度看，T60应该考虑频率的因素才可以获得相对真实的结果。因为在同一个声音的传播过程中，不同的频率，或者说频率段，其混响特性有所不同。通过实验与观察，我们得出以下一些规律。大多数室内空间的T60表现，区别都在于低频部分。无论是曲面墙还是厚重墙。同一空间内不同的频率其T60是不同的，这一点是比较明显的。如果难以准确测定某个室内空间的T60值，一般采用中频来得到一个中间值的T60，以这个T60的混响时间代表一个室内空间混响情况的平均值。例如在一个小会议厅，要获得艺术化的混响效果，可以用电子音响系统调整音量和混响状态。为了令音响状态较为自然，音响系统可以适当调整某些频段，让他们延续的时间比其他频段长一些，这样就能模拟出一个在大厅内的传声效果。当然，音响系统对于不同频段必须配置不同算法。对于大部分普通人来说，室内空间的混响时间总是有一定明显的规律性。比如教室的混响时间肯定要比音乐厅里的短很多。而原声音乐的现场，其混响特征是没有明显的人为修饰或加强，所以通常就得有相互关联的长混响时间。其基本手段可分为以下几种，通过混合直达声和反射声来加强整体音响效果强度，采用一些方法来加强声音的厚度，例如可以在合适的位置放置一些不同材料的物体，现场乐器的混音手段等。

希望大家通过本节的学习，可以了解噪声和声音的反射与吸收。