声学基础知识：混响时间到底是个什么鬼东西？

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　　一般混响时间的定义是：声能密度降为原来的1/10⁶时所需的时间，相当于声压级衰变60分贝。某频率的混响时间是室内声音达到稳定状态，声源停止发声后残余声音在房间内反复经吸声材料吸收，平均声能密度自原始值衰变到百万分之一(声能密度衰减60dB)所需的时间，用T60或者RT60表示。

　　简单地说，RT60是计算一个声音讯号从发出到消失，在某个空间内所需要的时间。RT60太长也就是反射音太多，声音会混浊不清晰;反之则是吸音过度，声音乾涩不够圆润。不过要瞭解室内残响时间，最好先从认识人耳朵对声音的反应开始，耳朵反应的功能课题对于设计一个视听室或音乐厅来说是很重要的。

　　虽然普遍认为一个健康年轻的人所能感受到的声音频宽是20Hz-20kHz，但在美国AES和德国DIN的标準中对人耳所能确切听到的频率范围只保守定为28Hz-16kHz(参考图一)，而且对于空气中每秒钟的压力变化都会有反应。人耳所能感受到最轻微的音量称为0dB，而最大的音压承受力很少超过130dB，如果超过了这个范围，耳朵不但感觉很痛苦，甚至将造成永久的听觉损害。

　　图一

　　声音从外耳进入，有一个膜片会随声压振动称为耳膜或鼓膜。接在鼓膜上的是一小块锤骨，紧压在锤鼓上的是一块砧骨，砧骨又压在一块叉形的镫骨上，镫骨直接连在中耳的耳蜗上(请参考图二)。耳蜗有三万多根细如毛髮的听神经纤维一直连到脑子的听觉部分，转变成微弱的神经电流，再经由听神经纤维将电流输送到脑中，让脑子辨识这些信号。年轻人比较能适应声量强度变化，而年老人的耳朵由于耳内构造变得较坚硬，所以无法承受强烈的声音。

　　图二

　　在测试耳朵反应的频率曲线中(请参考图三)，我们可以发现到耳朵对不同的频率会有不同的音压反应，也就是人耳对不同频率的敏感度有差异。各种测试参数都以1000Hz为基準，理论上我们也将标準耳朵的音压反应设定1000Hz为0dB，但在真实测试中耳朵对1000Hz的反应却是4dB。

　　图三

　　从曲线图中看到，耳朵要感应到30Hz的讯号需要60dB的音压，也就是对低音的反应非常迟钝。听觉曲线显示2000Hz-6000Hz时产生的凹陷，是听觉管道的共鸣迴响，而3500Hz-4000Hz会在耳朵管道中产生最大的共鸣，并形成一个凹陷的峰值点，所以它的音压峰值倍数是在0dB或-0dB以下。

　　图四

　　从这个图看得更明显，在不同的音压下，耳朵产生不一样的频率反应。越小的音量下对低音越不敏感，对2kHz-6kHz的讯号分辨力却很强;随着音压增加低音的感受度提升，同时2kHz-6kHz共鸣也大幅提升，所以大音量时我们容易觉得中高音吵杂。(请参考图4)

　　图五

　　认识耳朵的特性与对不同频率的灵敏度后，我们再来探讨空间反射的问题。当音源发射之后，直射声音和第一次反射声音会分别以不同的时间到达听众(请参考图五)。如果直射声音和第一次反射声音到达时间差别太大的话，听众就会有一种被隔离的感觉，我们会说这个表演让听众缺少“现场感”和“亲密感”。假设从音源发射出去的第一次反射声音，以30m/sec到达边界线(天花板)，再从边界线以50m/sec反方向的反射到听众的位置，而音速是以343.3m/sec(常温下的音速)前进的话，那么直射声音和第一次反射声音的音波长度分别是10m和17m。

　　图六

　　但我们知道声音不是一种直射波，而是一种球形波，它会有许多的反射点与不同反射角度，所谓的残响(或称反响)就是在聆听位置对所有反射声音的收集(请参考图六)。太多的反射会使声音“散掉”，例如一个人在反射杂乱的空间中演讲，语句会变得模糊不清楚，甚至连位置感也不容易区分，这时候就要塑造一个良好的残响环境，而首先要知道残响时间的参数，才能进行吸音处理或者是扩散的安排。

　　图七

　　一些音乐厅会在天花板的位置悬挂一个碟形状的扩散物体(请参考图七)，用来加快第一次反射声音到达听众座位的时间，这样就可以改进“现场感”的感觉。因为这些扩散物体将天花板的位置降低了，因此缩短了整个反响时间。

　　下面这几个图是多个不同形状的密闭空间(请参考图八)。在不同形状的密闭空间，如果没有经过吸音的处理，就会形成不同的反射效果。在这裏，我们也可以认识到基本的反射方向。

　　图八

　　家庭音响使用的空间多半是长方形，因此我们把重点放在这裏。在长方形空间中音源发射时会有很强烈的边界线反射，它会产生一个音压和强烈的回音。当回音产生时，又会在瞬间与讯号间引起反射与共鸣，就好像我们在一个没有吸音的室内，拍手掌会产生嗡嗡响的回音，在音源和回音之间会有许多方向的反射，其中包括距离、音压和时间等关系。

　　处理空间残响也就是要处理反射、距离和时间等的音压，同时加强音压中的扩散。声音能量在室内的表面反射会被一些吸音配件转换成震动能而逐渐消失(也就是常说的吸音)，当一个空间中反射比较多，需要有较长的时间让反射消失，我们称这室内为“活的”。相反的在一个吸音处理很多的空间，反射声音会很快的消失，这空间就被称为“死的”。

　　图九

　　图九显示听众在3个不同的环境中，对于产生音压和时间等的对比。左边图是在无限空间、有音源、没有时间控制下的环境中，听众听到的是一个直射的声音;中间图是完全反射的空间中，一个有音压的音源产生反射和时间变化，引起共鸣、混乱和噪音;右边图是经过空间扩散和音压吸音处理后的空间，听众所听到的是清晰、有质感和圆滑的声音，并且没有多馀的共鸣。

　　当听众在比较远的位置时，通常会感觉到低频不够，这个低音缺乏的问题往往是耳朵特性造成的。当低频增加时，我们会觉得声音变得较柔和。要解决低频不够饱满的情况，就要设法使低频残响时间比高频长，这样可以使声音变得较自然。

　　图十

　　图十显示一个残响时间的曲线，随着频率降低残响时间增加。一个理想音乐厅中的听众席，其低频残响时间会比整个平均残响时间高出30%，这能有效解决低频不够饱满的问题，也是音乐厅技术的一个基本原理。因为人耳对低频反应本来就不敏感，读者可回头再参考图三的耳朵反应曲线图，就能明白其中道理。

　　下面我们更详细的来解释什么是残响时间RT60?残响时间是指一个声源停止后直到声音消失所需的时间，但这会根据声音的强烈程度有所不同。声波在空气中前进能量会逐渐衰减，透过不同方向的反射可以再生接近原始音源的音压，RT60也就是计算原始音压和音压下降到低强度时的过程，计算时声压的强度和时间等参数(Parameter)是任意选择的，一般选用的音压范围为60dB之间，故名为RT60。

　　我们举个例来说明。对于大部分的交响乐曲和典型的演奏场所来说，其最大音压的顶点会达到100dB左右，而背景噪音水平大约在40dB，更微小的音压讯号耳朵不易判别而不予计算。这时RT60就是100dB和40dB之间的残响、音压和时间相差的数值，这是耳朵对音乐较敏感，并有清晰辨别能力的范围。(请参考图十一)

　　图十一

　　残响时间并非越长或越短就越好，得视不同用途与需求来决定，例如录音室甚至必须以人工方式加上残响。大部份的录音室为了要控制录音的品质，因此都会以不同方法进行吸音和扩散，以便清除来自外部的噪音和内部的共鸣，所以录音室的音响环境是很“死声”的。如果要收录真实乐器的效果，必须在录音时加上适当的残响效果，混合残响的声音就会更有质感和比较圆滑及具真实性。在现场的表演中通常也被要求增加残响效果，以便加强表演的自然性，唱卡拉OK时所使用的回音就是最简单的方式。

　　音乐厅的建筑构造会因为使用不同的建筑或装饰材料，而拥有不一样的吸音系数(Absorption Coefficients)。除了以上的因素外，听众人数的增加也会降低残响时间，因为其中一部份的移动音波会被这些物体所吸收。以下的表就是一些主要的建筑及装饰材料和人物的吸音系数。(请参考表一和表二)

　　表一：建材料的吸音系数

　　表二：人物的吸音系数

　　我们常常会在残响时间的计算中忽略了听众席的空间吸音。对于一个空间很大的听众席来说，空间吸音是很重要的，其对于高频率的吸收是很大的，而且是根据其空间的温度和湿度来作判断的。以上是在特定的温度和湿度下的空间吸音系数表。(请参考表三)

　　表三：温度和湿度的空间吸音系数

　　从图十二可以更清楚明白RT60的意义。0dB时声源并没有发出声音，但实际上空间受到外界多种因素的干扰还是有某些共鸣，最好的例子是在一个非常宁静的房间中，拿起玻璃杯套住耳朵，你仍能听到空气共鸣造成的声响。这种空间共鸣称为基本背景噪音，从0dB到基本背景噪音之间有段时间差，这就是RT60所要处理的范围，改变RT60的时间，同时会导致背景噪音的增加或减少。

　　图十二

　　没有一个音乐厅是万能的，不同的音乐厅有其独特的个性，因此也必须选择合适的表演来取得最佳效果。例如柏林爱乐厅的残响时间较短，比较适合节奏複杂的现代音乐演出;而维也纳金色大厅的残响时间较长，演奏古典乐派或浪漫乐派的作品能相得益彰，获得温暖饱满的声音。录音中有时会用一些电子设备作残响时间的调整，同样必须考虑音乐的内容。几个世界上最有名的音乐厅，它们的平均残响时间分别是：

　　维也纳金色大厅Musikvereinsaal：2.05秒
　　波士顿交响乐厅Symphony Hall：1.8秒
　　纽约卡内基音乐厅Carnegie Hall：1.7秒
　　以下的表就是不同用途的残响时间建议值(500Hz为基準)。

　　表四

　　理想的残响时间应该是多少?前面已经说过了，不同的用途需要有不同的残响时间，图十三显示不同残响时间的环境中，对于演奏或演讲的用途会有不同的反应。

　　图十三

　　这次先把RT60的定义与计算方式告诉大家，目前很多测试软体都能进行RT60的测试，并以曲线呈现出来，对处理音响空间的帮助很大。但多数读者手中并没有仪器，可以依此自己计算求得大概的数值，下一期我们再来讨论如何将RT60实际运用在音响房中，并协助大家架构一个理想的听音环境。

　　残响时间的计算方程式：

　　我举例来计算，假如一个空间高为4米，长为12米，宽为8米，房间容量的立方米V=384立方米。0.161是常温下音速343.3m/s与空气密度的比值，详细计算方式我们就不说了。A则是所有吸音表面积的总和，A的计算比较麻烦。

　　A=(甲墙吸音表面积×吸音系数平均值)+(乙墙吸音表面积×吸音系数平均值)+(丙墙吸音表面积×吸音系数平均值)+…

　　一个房间会有左右、前后、上下共六面墙，我们假设这个房间的墙面都是一致的，先算左右二边墙的吸音表面积。

　　二边墙的面积分别为高×宽=32平方米。墙上使用的材料其吸音系数为：125Hz/0.06;500Hz/0.2;2kHz/0.5;吸音系数平均值AC=0.25333。二边墙的吸音表面积=面积×吸音系数平均值=8.1067。

　　接着看前后墙的吸音表面积。前后墙面积高×长=48平方米，墙上使用的材料其吸音系数为：125Hz/0.07;500Hz/0.05;2kHz/0.05;吸音系数平均值AC=0.056667。前后墙的吸音表面积=面积×吸音系数平均值=2.72。

　　天花板与地板的材料往往不同，需分别计算。天花板面积长×宽=96平方米，使用的材料吸音系数为：125Hz/0.06;500Hz/0.05;2kHz/0.04;吸音系数平均值AC=0.050。天花板的吸音表面积=面积×吸音系数平均值=4.8。

　　地板的面积同样是96平米，使用的材料吸音系数为：125Hz/0.07;500Hz/0.06;2kHz/0.06;吸音系数平均值AC=0.063333。地板的吸音表面积=面积×吸音系数平均值=6.08。

　　把这些数字加起来后，我们就可以获得总吸音表面积A=32.5333，再套入RT60的计算公式(0.161×V)/A

　　RT60=(0.161×384立方米)=32.5333。那RT60=1.90033

　　如果要获得更精确的RT60数值，还应该将空间中所有人的吸音系数考虑进去，站立者与坐在椅子上的吸音系数是不同的，家庭中使用不需要这么精确，我们就掠过不谈。别忘了环境中的温度与湿度也会影响吸音，一般是以摄氏20度，湿度30%为基準计算，这时计算方程式应增加为(0.161×V)/A+mV，mV就是温度和湿度的吸音，其吸音系数为：125Hz/0.0011;500Hz/0.0056;2kHz/0.012;吸音系数平均值为0.006。

　　简单地说，RT60是计算一个声音讯号从发出到消失，在某个空间内所需要的时间。RT60太长也就是反射音太多，声音会混浊不清晰;反之则是吸音过度，声音乾涩不够圆润。不过要瞭解室内残响时间，最好先从认识人耳朵对声音的反应开始，耳朵反应的功能课题对于设计一个视听室或音乐厅来说是很重要的。

　　本文转载自建声百科(ID：loveacoustics)，原文来源于新浪化身农夫的小李的博客。