第十九章 声学设计中的缩尺模型试验

第一节 缩尺模型技术发展简史

音质模型试验，最早是采用水槽，从水波的反射来看出声波在界面的反射情况。后来出现光学模型，一般采用1:50或1:100的比例，将模型内表面做成反光面，将光源置于声源位置上，用光波模拟声波的反射。真正意义上的声学模型技术最早是于1934年由斯朋多克(F。 Spondok)提出的。他在三个典型房间的1:5模型里，用变速录音的办法研究了混响过程。40年代，彼得森(P。O。 Pedersen)、乔丹(V。L。 Jordan)及奥默斯塔德(H.Smestad)等人进一步作了探索，使这项技术于50年代在厅堂音质设计中得到初步应用。1950年，蒙谢(R.W.Mmcy)提出声学缩尺模型的模拟条件为尺度缩小n倍的模型应与原型具有相同的边界形状，且模型内表面对频率nf的声阻抗应等于原型相应部位对频率f的声阻抗。1950年，哈迪(H.C. Hardy)和替泽尔(F.G. Tyzzer)用1:20和1:16的模型分别研究了两座多功能剧场的音质设计，包括混响时间、声压级分布和脉冲响应等，有效地避免了若干声学缺陷。法国、前苏联等也进行过类似研究。我国于50年代末在设计人民大会堂时，也进行了模型试验。清华大学还制作了1:10的国家歌剧院音质模型。50年代的缩尺模型，对于空气对高频声音过量吸收的问题，仅采用降湿处理的方法予以初步考虑。

60~70年代，声学缩尺模型研究和应用逐步达到成熟期和鼎盛期。这一时期对各种界面吸声系数的模拟研究进行得较充分，积累了大量的资料。如日本的伊藤毅、橘秀树、石井圣光和木村翔等人研究了各种典型的模型材料，包括中、高、低频的吸声材料和构造以及座椅的吸声特性。1971年，赫格沃德(L.W.Hegvold)制作了1:8标准观模型，较仔细地研究了观众吸声的模拟问题。60年代，在缩尺模型中，已普遍采用空气干燥法来解决高频声空气吸收问题。1967年，石井圣光等人建议用氮气置换法来解决这一问题，并获得成功。这一时期，缩尺模型试验的仪器设备和测试技术研究也取得长足进展，促使这一技术走向实用化，在厅堂音质设计中得到大量应用。例如,60年代中期起，乔丹在纽约州剧院及悉尼歌剧院等厅堂的音质设计中，都应用了缩尺模型技术。我国的叶恒健等人在杭州剧院设计中也进行过缩尺模型试验。模型声学测试的项目通常包括混响时间、声级分布、回声检测及脉冲响应等。模型比例多采用1:10，测试频率最高达到10万Hz。模型中声学指标的测试结果，与建成后厅堂的实测值基本符合，表明缩尺模型在音质客观指标测量方面已基本达到实用化的要求。

缩尺模型技术发展的新方向，是利用其相对于计算机仿真的某些长处，来研究复杂空间和界面的声衍射、声散射及边缘反射现象。另一方面则是探求利用缩尺模型进行音质主观评价、包括环绕感、混响感、方位感和双耳互相关等因素的可能性。

第二节 缩尺模型声学实验原理

缩尺模型试验室建立在相似性法则的基础上的。首先，由于厅堂尺寸按比例缩小，因此声波波长也要按统一比例缩小，这意味着频率要相应提高，也即各物理量之间存在相似比的关系。

在缩尺模型实验中尚要考虑空气对声能的吸收问题。空气对声能的吸收率与频率有很大关系，在高频时存在过度吸收问题，若不考虑解决，必然影响模拟精度。

第三节 缩尺模型试验仪器设备

一、声源

   对缩尺模型所用的声源有三方面的基本要求：一是不具有明显的指向性；二是要能产生所希望的高频信号，且具有稳定的频谱特性，即具有重复性；三是要有足够的信噪比。根据研究的需要，声源可分为稳态声源和脉冲声源两类。

通常厅堂音质研究的频率范围为125~4kHZ，如果缩尺模型采用1:10的比例，则相应的频率范围变成1250~40kHz。这意味着模型中的声源要能产生超过2万赫的达到超声频段的高频声信号。目前用于模型试验的高频稳态声源两种：一种是采用高频电动扬声器。它可发出500~100kHz的稳态声，但它的缺点是随着频率的升高，指向性增强。因此，若要求采用无指向性声源，可用6或12免提扬声器。另一种是采用空气动力性声源。

用于模型试验的脉冲声源通常采用电火花发生器。电火花也是一种无指向性的声源。电火花发生器由钨丝电极构成。它使用一个次级触发电极，来使产生火花的电容器充足电。

二、传声器及信号处理装置

    声接受部分通常采用1/4英寸的传声器，在其前加上鼻锥，使其接近于无指向性。传声器输出的信号经过放大和倍频程滤波后，记录在磁带录音机上，然后可进一步由信号处理器装置处理，以得出混响时间等物理指标的测量数值。接受部分的声信号处理，可分为模拟式与数字式两种模式。数字式信号处理则是从磁带录音机输出的信号，经过滤波后，经由A/D转换器（即模拟信号-数字信号转换器），转化为数字信号，再经由计算机进行能量积分计算，求出混响时间数值。最后一个步骤的原理，是根据的过声学家施罗德于1965年提出的测量混响时间的新方法。他证明，经过整体平均以后脉冲响应积分的对数等于数等于房间中噪声衰变曲线。