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在之前的两篇建筑声学与pachyderm模拟教程中我们一起学习了关于声音强度的一系列理论概念（声功率，声强，声强级，声压和声压级），在Pachyderm里面设置基本声源和分析声音强度的方法，关于降噪,声反射和声吸收的基本知识，以及复杂声学材质的设置方法。

(传送门：建筑声学与Pachyderm模拟系列教程（1）：声音强度
建筑声学与Pachyderm模拟系列教程(2)：降噪)

那么在今天的第三篇教程里，我们就需要以之前的内容为基础，学习建筑声学设计中一个非常重要的部分：混响。


STEP 1
混响与混响时间

相较于我们上一篇教程里面介绍的降噪，混响应该是一个大家相对比较陌生的概念，所以首先我们需要花点时间介绍一下混响。



各位应该都知道声波在室内传播时，当其碰撞到诸如墙壁、天花板、地板等物体后会出现声音的反射，吸收和穿透。



根据我们之前在声音衰减那块的介绍，每次同物体接触后，由于吸收和穿透的存在，反射的声音强度会低于入射的声音强度，但是由于常规材料的吸声性能有限，当声源停止发声后，声波在室内需要经过多次反射和吸收最后才会最终消失，所以我们就感觉到声源停止发声后还有若干个声波混合持续一段时间（室内声源停止发声后仍然存在的声延续现象）。这种现象叫做混响，而声源停止发声后，声压级减少60dB所需要时间即为混响时间T60，单位为秒。



对于混响和混响时间，大家有两个点需要明确一下。

第一点是生活中处处有混响，虽然对于混响的研究一般集中在音乐厅等特殊建筑类型上，但是作为一个客观的物理现象，只要存在声音的反射，就必然会导致混响。（理论上如果存在一个建筑的内部材料可以百分百反射声音，那它的混响时间就是无穷大）因此除非你是在一个绝对空旷场地（你发出的声波不会遇到反射）否则你就会遇到混响。

第二点是混响时间本身无所谓好坏，合适的混响时间取决于不同的建筑功能需求。我们再看下混响时间的定义，声源停止发声后，声压级减少60dB所需要时间即为混响时间，单位为秒。所以混响时间越长，单个声音持续的时间就越长。那么假设我们现在发了2个音：A和B，每个音发音的间隔为1S。如果混响时间为1.5S的话，那么当我发完A的音之后，它需要1.5S才会停止。而我们的B是在A发出后1S就发出了，这也就意味着，B的发音会有0.5S的时间是与A的声音重合的。



那么这也就意味着，如果混响时间越长，对于持续的发音，之前的音和之后的音的混合就会越严重。所以混响时间越短，声音区分越清楚，但是由于缺乏声音的混合，声音越发干，枯燥无味不亲切自然，并且由于缺乏反射和重合，声音响度也会略低。而混响时间越长，声音越含混不清：但是由于声音的混合，会显得圆润动听，响度也会得到加强。（对于不同混响时间对于声音的影响大家可以参考下这个视频：https://www.bilibili.com/video/av79479768/）

因此对于不同的建筑类型会有不同合适的混响时间。比如在这我们可以对比一下三个不同类型的建筑（学术报告厅，流行音乐厅，古典音乐厅）它们的混响时间。







对于学术报告厅，相较于声音的圆润动听我们更追求声音的清晰明确，所以混响时间会最低。节奏鲜明的流行音乐厅，相较于学术报告厅，我们对于声音的清晰度要求会低一些，而对于音色的要求会高一些，但是如果混响时间过长，原本节奏就比较快的乐曲就更难于听懂，比如大家可以设想有人在一个高混响时间的房间里面唱Rap是个什么场景，每个句子的发音都会混在一起，完全听不懂唱的是什么。而对于古典音乐厅，因为古典音乐节奏较慢而偏于抒情，我们对于清晰度几乎没有要求，相反我们更注重声音的醇厚和源远流长，所以更长的混响时间则更为合适。下面这张图是一个对于不同建筑类型大致适宜的混响时间的一个介绍。大家可以做一个参照。



明白了混响时间是什么之后，我们再了解一下混响时间的长短是由什么决定的。因为混响指的是声源停止发声后，声波在室内要经过多次反射和吸收，最后才消失的物理现象，所以很明显声波反射的强弱和反射时间的长短决定了混响时间的长短。

那对于建筑来说，房间的混响长短是由它的吸声量和体积大小所决定的，体积大且吸声量小（空旷）的房间，混响时间长。



相反体积小且吸声强（密集）的房间，混响时间就要短。



因为混响时间受周围物体的吸声量影响，所以混响时间就又涉及到我们之前第二篇教程里面说的声音衰减了，而声音衰减部分里面介绍的一系列措施和方法同样适用于建筑混响时间的调整，比如我们可以使用特定的吸音材料和吸音结构（薄膜，多孔，共振等等）来降低混响时间，或者通过低吸声系数的高反射材料来延长建筑的混响时间。





通过声学材料的改变，我们可以在建筑方案不变的前提下，改变房间的混响时间，使其与特定的建筑功能相匹配。

最后对于混响时间，各位需要知道的是在实际使用过程中，建筑的混响时间是会改变的。之前说过混响时间是由吸声量决定，而建筑使用者，也就是我们人体本身，其实也是一个额外的吸声体，当人多的时候整体的吸声效果肯定是要大于人少的时候，所以相应的混响时间会变少。比如说北京“首都剧场”的混响时间，坐满观众时为1.36秒，空的时候是3.3秒。而人们说的最佳混响时间一般是指满座时的混响时间。





其次对于高级的音乐厅或剧场，为了满足不同的功能要求，是需要人工调节混响时间的。其中一种办法是改变厅堂的吸声情况。比如在厅堂内安装一组可以转动的圆柱体，柱面的一半是反射面，反射强、吸收少；另一半是吸声面，反射弱、吸收多．把反射面转到厅堂的内表面，混响时间就变长；反之，把吸收面转到厅堂的内表面，混响时间就变短。




STEP 2
混响模拟

了解了混响和混响时间的相关知识之后，下面我们就在Pachyderm里面模拟一下房间的混响时间。

首先我们还是需要布置房间。



使用insert命令放置声源和接收器。



之前的两篇教程里面对于声音的设置我们都是直接使用insert-source的命令，那么除了使用insert-source植入这样一个基本声源之外，另外一个Pachyderm使用频率更高的声源命令叫做insert-speaking person。因为大家想一下，我们大部分的室内声学模拟的声源其实都是我们人类自己。无论是演讲厅，歌剧院还是舞台，那对于人声了，首先在不同情况下我们会有不同的声音强度，你演讲，交谈，私语的强度都不同，并且人声在不同频率的声强也不相同，男生的声音偏低，女生的声音偏高，所以针对人声这样一种复杂的声源情况，我们使用标准声源进行设置是很麻烦的，我们要求网络上找各种各样的参数，然后在source的属性栏里面根据不同的频率进行单独的设置。



但是借助insert-speaker，所有这些麻烦就不复存在。输入insert-speaking person，在输入位置之后软件就会让我们选择发声者的类别



然后选择具体的发声情况，比如在这里面我们可以选择一个唱歌的男人。



确定之后大家就可以看到这里面每个频率波段的声强值就都设置好了，所以借助这个命令可以大大加快我们对于声源的设置。



之后指派声学材料，打开Pachyderm主菜单，点开第二个卷展栏material。



在这大家可以像我们第一篇教程里面那样选择官方库中的材质，或者像第二篇教程里面一样自行设置复杂的声学材质。将材质赋予物体之后，点击impulse栏目中的Calculate即可开始声学的计算。



经过一段时间的计算我们就能得到分析的结果。在analysis里面我们可以选择混响时间。



不过大家看到这里面的混响显示的是T30和T15，而我们之前对于混响时间的介绍是：声源停止发声后，声压级减少60dB所需要时间，也就是室内声场达到稳态后，声源突然停止发声，室内声压级按线性衰减60dB所经历的时间叫混响时间T60，单位S。之所以这里面没有显示T60而是T30和T15，主要原因就是实际的混响衰减曲线由于衰减量程及本底噪声的干扰，很难造成在60dB内都有良好的线性衰减曲线，因此有时人们会取衰减30db和或衰减15分贝的曲线代替衰减60分贝的曲线。



不过在这有个事情需要和大家强调一下，因为很多人会以为T30和T15指的是声音降低30分贝和15分贝所需要的时间，加之声压级成线性衰减，所以有学生就会以为T60=4T15=2T30，这个实际上是不对的，所有混响时间都是以声音降低60分贝的时间进行判定的，这里面的T30实际上的含义是，通过计算降低30分贝的时间来推测降低60分贝的时间，而T15指的是通过计算降低15分贝的时间来推测降低60分贝的时间，





那么有了混响时间的数值我们就可进行很多操作了，比如你可以通过改变不同室内的材质来测试其对于混响时间的影响，或者你可以在室内布置一下额外的三维吸音体来测试其吸收的能力，或者测试不同的房间造型对于混响时间的影响等等，最终使房间的混响时间与房间的功能需求相匹配。

今天的教程到此为止了，最后总结下本次教程的重点：
1：混响和混响时间的基本概念
2：影响混响时间的基本要素
3：不同建筑类型合适的混响时间
4：Pachyderm混响时间分析方法


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