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声音测定的基础-第16回“余响理论与余响时间的测定”之2-Sabine的余响时间理论式的推导-

在上一篇文章中,我解释了如何通过 (1) 式获得能量密度E的扩散声场周壁的单位面积 (1m 2) 在1秒内入射的声能I

  • 声音测量的基础-第16讲"回声理论与回声时间的测量"之2-Sabine回声时间理论公式的推导-_No.1
声音测量的基础-第16讲"回声理论与回声时间的测量"之2-Sabine回声时间理论公式的推导-_No.1

.................................(1)

.................................(1)

E:拡散音場のエネルギ密度
c:音速

利用该扩散声场的能量密度,通过射入室内四周墙壁的能量与被吸音的能量的平衡式,求出混响时间的理论公式。

关于混响时间公式,混响室法吸音率等规格(例如,JIS A 1409:1998)采用以下Sabine的 (2) 公式。

  • 声音测量的基础-第16讲"回声理论与回声时间的测量"之2-Sabine回声时间理论公式的推导-_No.2

.................................(2)

T:混响时间 (秒)
K =0.161
V:室容积 (m 3)
A:室的等效吸音面积 (m 2)

然而,即使是专家也很难解释如何得出这个简单的表达式,例如,为什么常数K0.161。本部分将介绍产生此(2)表达式的过程。首先,根据(1)式,射入全周壁的能量是将室周壁的全表面积S乘以(1)式,声音测量的基础-第16讲"回声理论与回声时间的测量"之2-Sabine回声时间理论公式的推导-_No.3 。假设周壁的平均吸音率为α―,全周壁被吸音的能量,再在上式中乘以α―,声音测量的基础-第16讲"混响理论与混响时间的测量"之2-Sabine混响时间理论公式的推导-_No.4按钮,将选定控件在Tab键次序中下移一个位置。这里,将声源的输出(每单位时间供给声场的能量)表示为W,室内声能的变化表示为V (dE/dt),其变化可以用以下微分方程式表示。

  • 声音测量的基础-第16章“混响理论与混响时间的测量”之2-Sabine混响时间理论公式的推导-_No.5

.................................(3)

让我们分别考虑声场的生长过程,稳态和衰减过程。

  • 图1室内的声源和受音点的时间波形
    图1室内的声源和受音点的时间波形

1显示了室内声源和接收点之间的时间波形。从声源总是发出恒定的输出,在接收点,声音首先到达,反射声音到达,能量逐渐增加,但在此期间声源也有恒定的输出因此,接收点的能量进一步增加,最终达到稳定状态。这叫做声音的成长。当达到稳定状态后停止声源的输出时,这次不会提供新的能量,因此接收点的能量将遵循衰减过程。这是余音。

(1)生长过程

作为初始条件,当t=0时,如果E=0,则获得生长表达式。换句话说,在声源开始在t=0发射声音之前,室内声能密度为0

求解(3)式的微分方程,

  • (1)生长过程

.................................(4)

exp是指数函数

ex公式(4)描述了室内能量密度从0开始随时间增长的过程。

(2)稳态

在公式(4)中,当t→∞时,如果E→E0 (E0是稳态能量密度),则(5)公式作为稳态式得到。

  • (2)稳态

.................................(5)

(3)衰减过程

在稳定状态下停止音源,用t =0W =0E = E 0求解微分方程式的话,衰减式如(6)式那样求出。

  • (3)衰减过程_No.1

.................................(6)

能量密度的稳态值 E 0显示了随时间指数衰减的过程(指数衰减)。这个(6)式是考虑混响的基础公式。

公式(6)的衰减公式为在单位时间内衰减的级别D (衰减),可表示为公式(7)

  • (3)衰减过程_No.2

.................................(7)

混响时间T 为衰减时间60 dB

  • (3)衰减过程_No.3

.................................(8)

  • (3)衰减过程_No.4

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获得Sabine的混响表达式。此外,

  • (3)衰减过程_No.5

.................................(10)

K ≈0.161 (典型值为20°C)

(摘自2010年7月22日发行的电子邮件杂志)