原创 扬声器系统测试室和听音室的声学设计

[扬声器系统测试室和听音室的声学设计]

看到有人需要做个监听室，兼有测试功能，所以就把这篇文章发出来
作者是奚爱军先生，南大电声8X年的毕业生，20多年的行业经验，呵呵，说说作者的经历，不是吹捧什么，而是希望大家能认真吸收文章中的精华。希望这里不会成为远望之类的吵架专用论坛，而是实实在在为我们的多媒体行业出自己的力量。谢谢！

                     扬声器系统测试室和听音室的声学设计
一．声学特性：
1.        测试室：
测 试室主要用于扬声器系统的频率响应等电声性能的测试，添置IEC标准障板后可进行扬声器单元的电声性能测试，当然也能进行电视机等产品的电声性能测试。国际公认的标准IEC581-7《高保真系统最低性能要求及测量方法 第7部分扬声器系统》、IEC268-5《声系统设备 第5部分 扬声器》推荐的都是消声室（近似自由场空间），鉴于本公司的厂房条件目前想从原AV所搬迁过来重建的只是混响时间较短（强吸声处理）的测试室（模拟自由场 条件—通常仅用于以脉冲信号测试）。当时测试的结果是：125Hz~8000Hz的混响时间小于等于0.2s，其它特性没有测试。此测试室同时兼用于主观音质评价，故其声学特性要严于一般家居环境，参照听音室和消声室的要求，具体要求如下：
混响时间：125~8000Hz之间测试（听音）区域内混响时间T60的平均值应小于等于0.2s，且T60的各测量值偏离平均值不应大于25%；在125Hz以下、8000Hz以上，允许T60偏离平均值超过25%，但在125Hz以下T60 不应超过0.4s。
测试室内声频响曲线应尽可能平滑（125~8000Hz±2dB），且无明显声染色。
在63~12500Hz频率范围内，室内不应有任何异常共鸣和颤动回声。
本底噪声：空场时，在测试室的测试（听音）区域测定的本底噪声应低于30dB（A计权、慢档）。
当作听音室使用时室内灯光、色彩、座椅等应使听音员感觉舒适。听音员的座椅靠背应不高于肩，以免产生不良影响。当作测试室用时，室内与测试无关的物品均应移到其它房间，以免对测试结果带来额外误差。
测试室推荐尺寸：长?6.0m、宽?4.0m、高?2.8m（现有房间尺寸基本符合要求）

2.听音室
听音室主要用于扬声器系统的主观音质评价。按照国际标准IEC268-13《扬声器听音试验》的要求，听音试验是在与居住房间的“平均”声学特性相类似的房间进行，亦即模拟家居环境。具体要求如下：
混 响时间：250~4000Hz之间听音区域内混响时间T60的平均值应在0.3~0.6s范围内，最好为0.4 s，且T60的各测量值偏离平均值不应大于25%；在250Hz以下、4000Hz以上，允许T60偏离平均值超过25%，但在250Hz以下T60 不应超过0.8s。
试听室内声频响曲线应尽可能平滑，无明显声染色。
在100~5000Hz频率范围内，室内不应有任何异常共鸣和颤动回声。
本底噪声：空场（无听音员）时，在听音室的听音区域测定的本底噪声应低于35dB（A计权、慢档）。
室内灯光、色彩、座椅等应使听音员感觉舒适。听音员的座椅靠背应不高于肩，以免产生不良影响。
试听室推荐尺寸：长?6.0m、宽?4.0m、高2.8+0.2-0.5m（现有房间尺寸基本符合要求）

二．噪声控制：
为达到以上几个方面的声学特性，以符合使用要求，必须对房间墙体门窗、空调系统、照明等进行优选和隔声、减振、消噪处理。
1.        测试室：为了测试扬声器系统的失真及频谱污染等，房间本底噪声必须尽量小。相应措施有以下几方面：
1)        结构的隔声和隔振：
A．         理想的房间四周墙应为双层隔声墙，鉴于实际房屋结构采用370实心砖墙里外粉刷，如此处理其隔声量可达到55dB，室外环境噪声不超过85dB时（户外远 离交通干线的环境噪声典型值是55~60dB）室内本底噪声均能满足要求。因一般混凝土楼板的隔声量为45dB，且很难杜绝振动和冲击噪声，所以房间需加 弹簧悬挂吸声吊顶，既为增强隔声效果又有利于房间内部的吸声处理。地面最好采用浮筑结构，鉴于现有房间净高不够，只能简单处理为：先铺一层10mm厚的橡 胶垫（阻尼隔声减振），在上面再铺一层10mm厚的阻燃化纤地毯（吸声，减少地面反射声）。
B．        房间不能开窗户，因为玻璃的隔声量只有30dB，且缝隙很难处理好，另外镜面对声音的反射几乎是100%，无法进行吸声处理。无论是隔声还是吸声处理的方法就是将窗户封闭，干脆不开窗户。
C．         需用专用隔声门。普通门的隔声量只有20dB且容易引起异常共振，另外密封性能很差，声泄漏严重。理想的应是双层专用隔声门，现有的是单层的，因墙体厚度 不够现也只能用单层的，估计其隔声量在30dB。这对房间的总体隔声效果影响很大，故此门只能开在接近墙角处，因为一般墙角处既不是最佳测试区域也不是最 佳听音区域。
2)        空调系统的消声和减振：要选用低噪声分体壁挂空调，因房间没有窗户所以必须带换气功能。现有中央空调系统管道噪声太大，需加隔振和消声处理。
3)        照明灯光的选择：照明可采用白炽灯（带防爆），不能使用带电感式镇流器的其它灯具，以防止产生交流声。
2.        听音室：为了进行扬声器系统的主观音质评价，避免环境对音质效果和听音人员的影响，房间本底噪声必须尽量小。同时，为避免大音量听音时对相邻房间的干扰，也必须进行隔声处理。相应措施有以下几方面：
1)        结构的隔声和隔振：
A．         鉴于实际房屋结构采用240实心砖墙里外粉刷（典型家居，且利于进行各种吸声、扩散处理），如此处理其隔声量可达到50dB（民用住宅建筑隔声分户墙的一级标准），室外环境噪声不超过85dB时（户外远离交通干线的环境噪声典型值是55~60dB）室内本底噪声均能满足要求。因一般混凝土楼板的隔声量为 45dB，且很难杜绝振动和冲击噪声，所以房间需加吸声吊顶，既为增强隔声效果又有利于房间内部的吸声处理。地面最好采用浮筑结构，鉴于现有房间净高不够，只能简单处理为：先铺一层10mm厚的橡胶垫（阻尼隔声减振），在上面再铺一层10mm厚的阻燃化纤地毯（吸声，减少地面反射声）。
B．        房间不能开窗户，因为玻璃的隔声量只有30dB，且缝隙很难处理好，另外镜面对声音的反射几乎是100%，无法进行吸声处理。无论是隔声还是吸声处理的方法就是将窗户封闭，干脆不开窗户。
C．         需用专用隔声门。普通门的隔声量只有20dB且容易引起异常共振，另外密封性能很差，声泄漏严重。理想的应是双层专用隔声门，因墙体厚度不够现也只能用单 层的，估计其隔声量在30dB。这对房间的总体隔声效果影响很大，故此门只能开在接近墙角处，因为一般墙角处不是最佳听音区域也不是实际听音区域。
2)        空调系统的消声和减振：要选用低噪声分体壁挂空调，因房间没有窗户所以必须带换气功能。现有中央空调系统管道噪声太大，需加隔振和消声处理。
3)        照明灯光的选择：照明可采用白炽灯（带防爆），不能使用带电感式镇流器的其它灯具，以防止产生交流声。

三．形体设计和扩散设计：
为达到测试室和听音室所需的基本声学特性以满足实际使用要求，需进行必要的形体设计和扩散设计。参照相关标准和别人已有的成功事例，结合现有房间框架，初步确定如下：
1.        测试室：分为两部分，一间为较严格声学处理的测试室，裸墙中心尺寸为：7m X 6.6m（长X宽），一间为简单声学处理的调试室，裸墙中心尺寸为：5m X 6.6m（宽X长），高度均为现有楼层高度。
2.        听音室：共有两间，声学处理相同。裸墙中心尺寸为：7m X 6.6m（长X宽），一间为简单声学处理的调试室，裸墙中心尺寸为：5m X 6.6m（宽X长），高度均为现有楼层高度。
测试室主要用于测试扬声器系统的电声性能，而听音室主要想模拟家居环境进行实际听音，故暂不考虑进行扩散处理和异形设计。一切都顺其自然，声学处理只是将有害的振动、噪声、反射等尽量减少。

四．混响时间控制：
为了满足测试和听音的要求，必须将混响时间控制在一定的范围内，因而房间要进行吸声处理。
1.        测试室：测试室对混响时间的要求较严格，故房间四周及屋顶和地面均需进行强吸声处理。
屋 顶采用加弹簧减振吊钩的吸声吊顶。吸声吊顶采用四种不同的吸声结构，对高中低频声音均有良好的吸收。船形吸声体可吸收不同方向的声音，以使吸声效果更好。吸声吊顶后的大空腔对低频声有叫好的吸收作用。为适应消防要求，吸声吊顶的龙骨采用轻钢龙骨，配合使用的木龙骨均用防火涂料处理。面网装饰布采用阻燃装饰 布。最关键的吸声材料是超细玻璃纤维（容重24Kg/m3），本身就是最好的防火阻燃材料。
侧墙吸声采用多种不同的吸声体交替组合，对高中低频声音有较均匀的吸收。为减少四周墙角的声反射，使用强吸声结构。
地面处理的方法是先铺一层10mm厚的橡胶垫（阻尼），在上面再铺一层10mm厚的阻燃化纤地毯（吸声）。
测 试室主要吸声材料利用原AV所测试室拆除下来的，因房间面积增大了，故尚需添加吸声材料，做法基本同原设计。原设计已经过了实际的验收和使用，证明并没有太大问题，只是里隔墙当时没做大的变动其隔声效果要差些。这里没有那些吸声材料的具体测试数据，故也没法进行计算和理论验证。
测试室旁的调试室与下面听音室的吸声处理一样，只是墙体隔声要求不需太严格。
2.        听音室：听音室的混响时间要求适中，家居环境很少有进行强吸声装修的，故吸声处理就以简单实用易于实施为主，同时兼顾美观大方（与家居环境相适应）。
屋顶采用穿孔石膏板（穿孔率6%，板厚7mm，板后贴一层薄纸）作吊顶（后空200mm），空腔内均匀的铺满200mm厚的晴纶棉（容重20Kg/m3）。
侧墙基本不做处理，为了美观和布线方便，可在墙脚做木质踏脚线（墙裙）。另外，可加些薄丝绒布帘（离墙面200mm以上），既为美观又可适当调节室内的混响时间，以满足不同音乐的要求和个人的喜好。
地面处理的方法是先铺一层10mm厚的橡胶垫（阻尼），在上面再铺一层10mm厚的阻燃化纤地毯（吸声）。
粗略计算如下：
以大听音室为例，净尺寸为6.7X6.3X3.0m，四侧墙的总面积为78m2，顶和底的面积都是42.2m2，净容积V为126.6m3，引用的数据和计算结果见下表：
频率        125Hz        250Hz        500Hz        1000Hz        2000Hz        4000Hz
吊顶材料吸声系数        0.61        0.76        0.59        0.40        0.25        0.20
砖墙（抹灰）吸声系数        0.02        0.02        0.02        0.03        0.03        0.04
厚地毡吸声系数        0.10        0.10        0.20        0.35        0.60        0.60
房间总吸声量A=4mV-Sln(1-α)        45.75        66.00        48.58        42.08        58.20        63.35
混响时间T60=0.161V/A        0.46s        0.31s        0.42s        0.48s        0.35s        0.32s
可见房间的混响时间能够满足听音室声学特性要求（四周满加布帘后混响时间在中高频将大为降低）。因没查到8000Hz对应的数据，故上表中未列出来。一般来说高频的混响时间不会超上限的，因为高频吸声较容易，且空气吸声系数在高频时也变大了。
小听音室的计算结果也相近，在此不再列举。

五．现场声学测定：
房间本底噪声可以用声级计直接测试，可取多处（至少五点）测试，看其平均值和最大值。在实际测试区域（有效听音区域）最大值不应超过规定值，其它区域平均值不应超过规定值。测试时要空场，空调、照明等都要打开，音影系统不工作。
房 间混响时间可用电声测试系统BELL2000（SYSid6.5）、 CLIO4.0等进行测试和计算，也应取多处（有效听音区域内）测试，测试室主要看其平均值和最大值、听音室看其平均值和离散性（既要看不同地点、又要看不同频率），测试信号用粉红噪声，测试结果表示为各中心频率点63、125、250、500、1000、4000、8000Hz对应的混响时间（63Hz 的混响时间仅供参考）。测试时要空场，空调、照明等都要打开。

六．实际音质评价：
房间声学特性经过专业人员检查验证后，还 需进行实际主观音质评价。选用参考级的音响系统（至少本声没有明显声音缺陷）进行实际听音，可按IEC268-13《扬声器听音试验》方法进行，另外需加 大音量以发现房间是否存在明显的异常共振和声染色（也可用大音量纯音扫频测试）。

七．其它说明：
安装施工时应注意所有有隔声要求的墙体（抹灰前）都不能留缝隙，所有结构件安装都要牢固不松动。穿墙管线应做好声学处理。

参考书籍：
《室内声学设计原理及应用》（德）L.Cremer, H.A.Muller
《建筑声学设计（第二版）》孙万钢、汪惠义编
《建筑声学设计手册》中国建筑科学研究院建筑物理研究所
《实用建筑声学》项端祈编
《建筑声环境》车世光等编
《录音播音建筑声学设计》项端祈编
《声学手册》马大猷等编
《声学技术手册》何圣静主编
《工程声学》北京声学学会编
《音乐厅声学》（日）安藤四一
《噪声控制和室内声学》车世光、项端祈
《噪声控制学》马大猷

引用标准：
IEC268-13《扬声器听音试验》
IEC581-7《高保真系统最低性能要求及测量方法 第7部分 扬声器系统》
IEC268-5《声系统设备 第5部分 扬声器