基于室内脉冲响应的混响时间测量研究.pdf

Study of Science and Ejat RTVU2023年3月第1期总第2 9 4期电大理工D0I:10.19469/ki.1003-3297.2023.01.0023基于室内脉冲响应的混响时间测量研究闫美辰（沈阳工学院，辽宁抚顺113122)摘要针对目前混响时间测量精确度不高的问题，文章以基于室内脉冲响应测量混响时间的方法为核心，以矩形空间为具体实例，在不同情况下，估计了能量衰减曲线和房间混响时间，并且将基于室内脉冲响应的混响时间计算方法和传统的混响时间测量方法分别与实际测量的混响时间进行对比分析，结果表明，基于室内脉冲响应的混响时间计算方法精确度更高。关键词同脉冲响应；能量衰减曲线；混响时间中图分类号：TN912文献标识码：A文章编号：10 0 3-32 9 7(2 0 2 3)0 1-0 0 0 2 3-0 50引言随着人们生活水平的不断提高，人们对精神生活的感受也越来越重视，众所周知，声音作为人类主观感受的重要组成部分，其质量的好坏直接影响着人们的生活体验，所以提高人们的听音质量是当务之急。对于听音质量的好坏有多种不同的评价方法，传统的评价方法存在着很多局限性，例如，为了比较两个不同建筑的音质效果，研究者要在一个建筑里听到声音后再到另一个建筑里听到声音进行比较，这样不仅要消耗大量的时间和金钱而且很难得到理想的效果。此外，如果对于正在建造过程中的建筑物，如若无法预知其音质效果，等建筑完成后，再进行修改成本会非常高，因此，在建筑过程中就预知音质效果是非常必要的。当前，运用参数预测的方法仍然是室内声场研究的核心，因此，准确测量室内声场的混响时间是重中之重混响时间的精确计算已经是室内声学研究的重要课题之一，因为混响时间是描述房间音质效果的重要评价参数之一2 。混响的强弱可以带给人们不同的听觉效果，比如混响时间太短，房间里的声音听起来就没有那么饱和，而混响时间过长，声音就会不清晰，听起来比较浑浊，恰到好处的混响不仅可以给人带来温暖而亲切的感觉，而且可以使声音节奏清楚、提高声音品质。混响时间的精确计算可以实现音质效果的有效预测，所以混响时间的精确计算对于提高房间内音质效果有重要意义。赛宾算法3 是最先出现的计算混响时间算法，虽然赛宾算法实现了室内混响时间的有效计算，但其精确度不高。假设当房间具有超强的吸声能力的时候，那么混响时间应该是无限接近于0 的，但赛宾算法得到的结果却是有值的，很显然，赛宾算法有一定的局限性。艾润4对此进行了改进，一定程度上提高了混响时间的精确度，基于脉冲响应的混响时间计算方法是从系统角度的出发的，大大提高了计算结果的精确度。1混响原理1.1混响的产生当声音信号在封闭空间传播时，接收到的信号包括直达声和反射声，其中反射声就会引作者简介：闫美辰（19 9 1一），女，辽宁沈阳人，讲师，硕士。电大理工总第2 9 4期第2 4页起混响效应。在封闭空间内，声波在各个反射面均会发生反射信号，反射信号与声源信号的波形相同相位却发生偏移，所以直达声与反射声以及二次反射声甚至多次反射声混合在一起，会对产生的声音信号造成干扰。图1所示为混响产生示意图。混响声混响声直达声声源接收者混响声混啊声混响声混响声图1混响产生示意图图2 是房间脉冲响应图。由图可知，声音不但存在第一个峰值，还有若干个其他峰值，这些峰值就是所谓的混响。有科研学者提出了“直达声”（Direct Sound）、“前期反射声”（Ear-lyReflections）、“后期反射声”（LateReflec-tions）的概念5 ：“直达声”是指幅度最大且时间最小的一个峰值，它不仅有最强的幅度且传播路径最短；“前期反射声”是指声源由经过一次反射后形成的，前期反射声能量衰减不多；图中结尾部分比较密集的峰值，称为“后期反射声”。由此可见，声音信号多次经过界面的反射叠加造成的效果称作混响。O.025直达声-*0.02.-0.015扩散声0.01后期反射声0.005.-0.005-0.01早期镜面皮.-.-0.01500.031250.06250.093750.1250.156250.18750.21875time(s)图2脉冲响应示意图1.2混响时间所谓混响时间，是指混响在时间上的延迟，混响时间是表示混响延迟特性的量具体地，通常将室内声能密度衰减6 0 dB所用的时间称为混响时间，一般表示为T6o，单位为S。赛宾教授曾经做过相关实验，用精确的秒表测量混响时间，首先，声源发出声音信号后启动秒表，当混响消失时，暂停秒表，此时秒表上记录的时间就是混响时间。他在房间内的不同位置做了大量实验，发现房间内几乎所有地方的混响时间都是一样的。由此可见，混响时间只与房间属性有关。因此，混响时间是可以准确地表述房间音质的量，从此，室内声学不再是定性研究，而是定量研究。目前，混响时间是描述混响效果的主要指标，虽然相关研究者提供很多可以描述混响效果的其他指标，但是混响时间仍然是比较成熟的描述房间音质的重要参量。1.3传统的混响时间计算方法1.3.1赛宾公式计算混响时间混响时间理论早在一个世纪前就由美国物理学家赛宾（Se b i n）提出6 ，并同时提出用声音能量衰减所需要的时间来描述声音质量。混响时间计算公式如下：VT6=0.613(1)S.式中，V代表体积；S代表室内的吸声数；代表室内材料的面积。但随着室内声学的发展，许多研究者发现赛宾公式计算精确度不高，针对实际情况，给出了许多改进公式。1.3.2艾润公式计算混响时间新的混响时间计算公式7 于19 30 年由艾润提出，即：0.613VT=(2)-S ln(1-&)式中，T代表混响时间，V代表房间总容积，代表房间表面平均吸声系数。实际上，艾润公式相对于赛宾公式来说，精确度高出不少，因为艾润理论认为声波每反电大理工第2 5 页第1期射一次就会衰减一次，而赛宾认为声能衰减的过程是连续的，显然，艾润理论更符合实际情况，因此，艾润算法相对于赛宾算法更准确。2基于脉冲响应测量混响时间分析2.1模型建立本文针对特定的矩形房间进行了仿真。假设房间的天花板材料为石膏；地板材料为树脂。房间内材料的吸声系数8 材料吸收能量与入射到材料上的总声能之比）如表1所示。表1房间内材料的吸声系数室内空间四面侧墙地面顶棚吸声系数0.90.70.99以房间任意一角为原点，房间的长设为x轴，房间的宽设为轴，房间的高设为轴，建立三维直角坐标系。仿真的具体环境设置如表2所示。表2仿真室内空间的环境设置空间尺寸(mXmXm）声源坐标麦克风坐标采样频率/kHz声速/(ms)3.24x2.7(2.0,3.0,2.0)(1.1,1.0,1.2.0)16343为了验证实验结果的正确性，本文将在与仿真环境相同的房间中测量真实的混响时间，并将其与实验仿真结果进行比较。2.2仿真分析想要通过室内脉冲响应计算混响时间首先要计算能量衰减曲线，根据能量衰减曲线计算混响时间。（所谓能量衰减曲线是指声音在完全充满声场后戛然而止，任意一点的声能随时间逐渐衰减的过程）例如，声能衰减2 0 dB所需要的时间称为T2o，声能衰减6 0 dB所需要的时间称为T6o。这种方法是近年来国家标准化组织对声学参数的标准化测量方法9结合Schroeder方法可以得到基于脉冲响应的能量衰减曲线表达式为10 1：h?(t)dtE(t)=10log10(3)h?(t)dtE（）代表能量，单位是dB。根据式（3）得到如图3所示能量衰减曲线，其中曲线a、b、c 分别表示频率为10 0 0 Hz,500Hz，2 5 0 H z 时的能量衰减曲线，曲线：曲线-10曲线：-20-40.-50-60.-7000.06250.125018750.250.31250.375500.06250.1250.1875time(s)图3能量衰减曲线3混响时间的实际测量3.1测量原理混响时间的实际测量可以有效地帮助声学研究者发现模拟算法存在的局限性，从而提高模拟测量的准确性。目前，对于混响时间的测量，国内外一般采用直读式混响计测量混响时间，具体的测量原理如图4所示信号发生器功率放大器直流式混响计声源声传感器图4混响时间测量原理电大理工总第2 9 4期第2 6 页3.2测量设备3.2.1声源相比于模拟声源，近年来应用广泛的是数字声源，而其中十二面体声源是目前应用最为广泛的数字声源，其不仅便于携带而且使用非常方便，如图5 所示。图5十二面体声源图3.2.2接收传声器只有将声信号变为电信号才能进行记录和读取，传声器就是一种有效的把声信号转换为电信号的手段，本次实验所用传声器为4145 型传感器，该传感器不但测量准确度高，而且使用寿命长12 。但在实验进行之前，要对扬声器进行校准才能得到准确的测量结果3.3.3主测工具在早期的室内声场实验中，一般是用模拟信号源对扬声器进行激励，然后再将室内声场的衰减情况用电平记录器、频谱分析仪等设备对音箱进行记录和分析。目前，随着计算机仿真技术的大力发展，室内声场的研究也可以用一些专门的软件进行实验仿真，这些软件不但可以模拟数字信号的产生，还可以进行分析处理，最后可以进行结果的输出，不但功能十分实用，而且操作非常方便。本文采用挪威生产的精密声学仪器（Nro-121）测量实际混响时间113，本仪器不仅操作简单，携带方便，而且可以直接读取混响时间的具体数值43.3现场测量混响时间从仪器中可以直接读出混响时间。其设备连接如图6 所示(15 图6设备连接图根据国家标准IS03382，实验过程中采用粉红噪声信号作为声源16 ，首先经功率放大器将信号放大后再由12 体点声源发出，当室内声场达到稳态时停止发声，然后通过声传感器将接收信号传至声学仪器后记录混响时间。为了确保数据的准确性，我们在每个频率的情况下测量3 5 次后取结果平均值作为最终数据。试验结果如表3所示，表3实际测量的混响时间Tco(s)/f(Hz)2505001000第一次0.080.970.17第二次0.041.030.15第三次0.031.000.13平均值0.050.100.154实验结果对比分析为了比较基于脉冲响应的混响时间计算方法与传统混响时间计算方法的结果准确度，本文采用误差百分比的方式来评价计算结果准确性，记为：E=100%(4)X式中，x代表通过模拟计算所得到的结果值，代表实际测量的结果值。表4是相同条件下基于脉冲响应方法、Ey-ring方法与Sabine方法获得混响时间的对比分析，并标注出了误差百分比，由表4可见，相比其他两种方法，基于脉冲响应获得混响时间的方法具有更高的精确度（责任编辑：嘉瑞电大理工第2 7 页第1 期表4混响时间比较方法理想值估值误差0.050.0484%脉冲响应方法0.100.08218%0.150.1444%0.050.04510%Eyring方法0.100.13636%0.150.21241%0.050.06326%Sabine方法0.100.13835%0.150.21543%5结论本文介绍了混响时间理论，以空置的矩形空间为实例，运用MATLAB分别对频率为1 0 0 0 Hz，500Hz，2 5 0 H z 时的声音进行了能量衰减曲线的仿真，并运用Eyring方法与Sabine方法及基于脉冲相应的方法计算了混响时间，最后根据国家测量标准进行了真实环境下混响时间的测量，将其与计算结果进行对比分析。实验结果表明，基于脉冲响应计算混响时间的方法相对于传统的混响时间计算方法计算结果更加接近真实的混响时间，由此可见，基于脉冲响应计算混响时间的方法，准确性和可靠性更高，具有很好的应用价值。参考文献1成烨.室内声场的脉冲响应分析D.太原：太原理工大学，2 0 1 4.2黄坤朋,赵越喆.应用时域有限差分法计算房间脉冲响应和声场参数J.土木建筑与环境工程,2 0 1 3(3):1 5 7-1 6 1.3曾向阳.室内声场计算机模拟发展4 0 年(1 9 6 8 2 0 0 8)J.电声技术,2 0 0 8(S1):12-17.4姜锦云.基于麦克风阵列的近场和远场混合声源定位D.成都：西南交通大学,2 0 1 0.5焦伟奇.基于虚源法的声矢量场建模与预报及软件实现D.哈尔滨：哈尔滨工程大学,2 0 1 1.6刘延昌.厅堂声场计算机模拟与实际测量结果对比分析研究D.河北：河北工程大学,2 0 1 1.7梅铁民,苑丽苹.一种新的混响时间计算方法.沈阳理工大学学报,2 0 1 2(6):6 6-6 9.8杨春花.室内声场脉冲响应的测量M.北京：冶金工业出版社,2 0 1 0.9吴勃.封闭空间高频脉冲响应场的计算机模拟D.北京：华北电力大学，2 0 0 1.10林超.多用途演播厅声环境设计研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2 0 1 0.11行鹏程.房间混响消除的方法研究D.沈阳:沈阳理工大学,2 0 1 2.12马大猷.噪声与振动控制工程手册M.北京：机械工业出版社,2 0 0 2.13万宇鹏,谢荣基,等.基于DIRAC的声场无线测试系统应用与对比J.中国测试,2 0 1 6,4 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