聲場

自由聲場

聲源在均勻、各向同性的媒質中, 邊界的影響可以不計的聲場稱為自由聲場。在自由聲場中，聲波按聲源的輻射特性向各個方向不受阻礙和干擾地傳播。

理想的自由聲場很難獲得，人們只能獲得滿足一定測量誤差要求的近似的自由聲場。例如地面反射聲和雜訊可忽略的高空，當氣象條件適宜時，便可以認為是自由聲場。實際上風、雲、空氣密度變化等都會影響聲波的傳播。又如在經過專門設計的房間中，在一定的頻率範圍內，房間的邊界能有效地吸收所有入射的聲波，這樣的房間內的聲音主要是直達聲，也可認為是自由聲場。這樣的房間稱消聲室。

在寬闊的廣場上空，或者室內有一個面是全反射面，其餘各面都是全吸聲面，這樣的空間稱半自由聲場或反射面前方的自由聲場。如消聲室地板用反射面來模擬半自由空間則稱為半消聲室。

近場和遠場：自由聲場中聲源附近聲壓與質點速度不同相的聲場稱為近場。近場區域內聲壓隨距離變化的關係比較複雜。距離甚大於聲源輻射麵線度和波長，聲壓與質點速度同相的聲場稱為遠場。在遠場區，聲源直接輻射的聲壓與離聲源的距離成反比。一般所說的聲場都是指遠場；雜訊測試也多在遠場條件下進行。

封閉空間中的聲場

聲源在被聲阻抗率不同的界面所包圍的空間中輻射的聲場稱封閉空間中的聲場。例如機器在車間或實驗室中發出雜訊，當門、窗或其他開口的面積遠小於整個邊界的面積，則室內的聲場就可以近似地看作是封閉空間中的聲場。聲源在封閉空間中輻射聲波時，傳播到各界面上的聲波，一部分被界面吸收，一部分被反射。在一般房間中，要經過多次反射后，聲波的強度才減弱到可以被忽略的程度。

聲源在封閉空間中連續穩定地輻射聲波時，空間各點的聲能是來自各方向的聲波疊加的結果。其中未經反射、直接傳播到某點的聲波稱為直達聲；一次和多次反射聲的疊加稱為混響聲。直達聲的強度與離聲源中心的距離平方成反比。如果頻率較高（波長與空間尺寸相比很小），混響聲的強度可近似地認為各處相等。混響聲能的大小，除與聲源輻射功率有關外，還與空間大小和諸界面的平均吸聲係數有關。

聲源以聲功率（W)在封閉空間中穩定地輻射聲波時，一方面聲波在媒質中傳播時，聲能不斷衰減，聲波遇到界面時又有一部分能量被吸收；另一方面聲源又不斷地補充聲能。聲源 開始發聲后經過很短一段時間，聲能就達到動態平衡狀態，這時空間內各點聲壓達到一穩態值。

把室內的直達聲和混響聲都計算在內時，在離聲源中心距離為r的某點，聲壓平方的平均值p婄，ρ0是空氣的密度;c是空氣中的聲速；Qθ是聲源在θ方向輻射的指向性因數，即該點的聲強與聲功率相等的無指向性聲源在相同距離上的聲強之比；R=S峞/(1-峞)稱為房間常數；S是室內總表面積；峞是室內諸表面的平均吸聲係數。

直達聲壓按距離反比規律而衰減，混響聲可近似認為在空間內各點都相等，因此在離聲源的某一距離處，其直達聲有效聲壓與混響聲有效聲壓正好相等，這個距離稱為擴散場距離rc：

封閉空間體積或界面的吸聲係數越大，擴散場距離就越大。當聲源在各方向輻射的指向性因數不同時，不同方向上的擴散場距離也不同。如果聲源輻射無指向性，即Qθ呏1，這時各方向的擴散場距離都相同，稱為混響半徑。

在小於擴散場距離的區域內，直達聲大於混響聲，在允許誤差範圍內，可以忽略混響聲（即反射聲）影響的區域，作為近似的自由聲場。反之，在大於擴散場距離的區域，混響聲大於直達聲，稱為混響聲場。

聲波在互相平行的一對剛性界面之間傳播時，如果距離為半波長的整數倍，就會產生共振。相應的頻率稱簡正頻率（或固有頻率、共振頻率），相應的駐波傳播方式稱簡正振動方式，或簡正方式。三維空間有一系列的各種類型的簡正方式。關於簡正頻率的計算式見室內聲學。

當封閉空間內被激發起足夠多的簡正方式時，由於不同方式有各自特定的傳播方向，因而使達到某點的聲波包括了各種可能的入射方向。在這種情況下，除了在擴散場距離內的自由聲場區和離界面1/4波長範圍內的固定干涉區以外，空間內各點的聲能密度相等；從各個方向到達某點的聲強相等；到達某點的各波束之間的相位是無規的。具備這樣特性的聲場稱為擴散聲場。

理想的擴散聲場是難以獲得的。特別在低頻段，被激發起的簡正方式較少，到達某點的聲波入射方向不夠多，各點聲能密度的起伏也比較大。此外，當界面有大塊面積的表面聲阻抗率相差很大的材料時，也會使空間內的聲場不均勻。這種情況稱為聲場不擴散或擴散不良。為了獲得較好的聲場擴散條件，特別對於混響室或專門測試雜訊的實驗室，在設計時應考慮採取以下措施：①使實驗室有足夠大的體積;②使實驗室有良好的布局;③在室內增加適當的固定或活動的擴散體。

聲源一停止發聲, 封閉空間內各處的平均聲能密度就按指數率逐漸衰變。聲能密度衰變到原來的百萬分之一時所需的時間稱為混響時間。混響時間的長短與空間體積成正比，而與空間內聲吸收成反比。

不同類型的簡正方式有不同的指數衰變率（或混響時間）。總的衰變過程不是單一的指數衰變規律，同時空間內不同點的衰變率也往往有較大的差異。這種混響時間的不均勻性和衰變率的不規則性是與聲場擴散不良緊密聯繫的。

當聲場擴散不良時，室內各點聲壓值和混響時間的起伏都比較大。這時，在實際聲學測量中，只有在較多的測點求出多次測量的平均值，才能得到較為準確的實驗結果。