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                大氣氣壓、溫度、空氣濕度等環境條件對HIFI音響聲音表現的影響

                發布時間:2023-06-16

                注:本文編輯參考書籍和他人文獻并加上自己的理解所編,作為學習筆記使用并將其分享出去供廣大音響發燒友等大家學習參考。若涉及到引用您的內容請告知!如有錯誤歡迎指正!   

                       聲音作為波的一種,頻率和振幅就成了描述波的重要屬性,頻率的大小與我們通常所說的音高對應,而振幅影響聲音的大小。聲音可以被分解為不同頻率不同強度正弦波的疊加。這種變換的過程,稱為傅立葉變換。

                       聲音的傳播需要物質,物理學中把這樣的物質叫做介質,這個介質可以是空氣,水,固體。當然在真空中,聲音不能傳播。聲音在不同的介質中傳播的速度也是不同的。聲音的傳播速度跟介質的反抗平衡力有關,反抗平衡力就是當物質的某個分子偏離其平衡位置時,其周圍的分子就要把它擠回到平衡位置上,而反抗平衡力越大,聲音就傳播的越快。水的反抗平衡力要比空氣的大,而鐵的反抗平衡力又比水的大。
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                       聲波在介質中傳遞的速度,稱為聲速(或音速)。聲速往往因介質種類、狀態等因素而影響其行進的速度。在空氣中傳播的聲速,因空氣的溫度、濕度、密度…等不同而不同。溫度愈高,聲速愈快。濕度較大時,聲速也較快。已知在 20°C,干燥、無風的空氣中,聲速約為 343米/秒,而在 0°C 時,則為331米/秒。若物體移動的速度,超過當時空氣的傳聲速度時,稱為超音速。有關聲速的測量,早在西元 1636年 港人 梅爾森 便已量出,在空氣中的傳聲速度為 316 米/秒,其間雖經各國不斷測試,但正確求出在氣體或固體中傳聲速度的方法,則是1868年德國人孔特發現設計的,此即為[敏感詞]的“孔特實驗”,至于現今一般慣用的聲速 ( 0°C 的空氣 ) 331米/秒,則是[敏感詞]次世界大戰期間修訂沿用至今的。

                1686909200325.jpg       空氣的“剛度”或其彈性模量不會隨濕度變化。 但是,密度確實如此。 隨著濕度的增加,作為水分子的空氣分子的百分比也會增加。 水分子的質量比氧,氮或二氧化碳分子小得多,因此由水蒸氣組成的空氣比例越大,單位體積的質量越小,空氣變得越稀疏。 較低的密度意味著聲波傳播更快,因此在高濕度下聲波傳播更快。 但是,速度的增加很小,因此對于大多數日常用途,您可以忽略它。 例如,在室溫下處于海平面的空氣中,聲音在100%濕度(非常潮濕的空氣)中的傳播速度比在0%濕度(完全干燥的空氣)中的傳播快0.35%。


                       從理論上講,聲學參數的測量要求系統具有線性性和時間不變性。然而,在一個普通的封閉空間中,這些條件幾乎是不可能實現的。因此,本文的實驗旨在測試這個假設,并嘗試量化房間溫度、相對濕度和空氣流速變化對聲學參數的影響。采用預均衡的ESS(指數正弦掃描)信號進行了房間聲學參數的測量[19]。所有記錄的音軌都通過ESS的反濾波器進行了后處理,終計算出了聲學參數。

                       此外,本研究只有一個操作員,并且使用相同的儀器。聲源和麥克風始終處于同一位置和方向。通過使用這種方法,溫度和濕度變量的不確定性得到了減少[26]。通風系統的強度也定期增加,盡可能達到[敏感詞]值,然后以相同的方式降低,直到完全關閉。

                在本次實驗中,共進行了1806次記錄,每次測量有6個音軌,包括2個雙耳音軌和4個聲場音軌,共計301項測量結果。從沖激響應中確定了下列聲學參數:

                混響時間T20(秒)和T30(秒);

                早期衰減時間EDT(秒);

                強度G(分貝);

                清晰度C50(分貝)和C80(分貝);

                定義D50(%);

                雙耳交叉相關IACC;

                側向效率LE;

                側向分數LF。

                       本節分析溫度、相對濕度和風速變化以及主要的房間聲學參數。后,基于R語言分析了聲學參數測量值與溫度、相對濕度和風速變化之間的關系,這些關系在以前的研究論文中沒有被提及。 
                       溫濕度參數分析圖中展示了溫度、相對濕度和風速的變化值。
                圖5.溫度 (a)、相對濕度 (b) 和空氣速度值 (c)。.jpg

                圖中清楚地說明了相對濕度如何響應溫度變化而變化,反之亦然。這與溫度和濕度之間存在負相關的基本原則是一致的。為了捕獲[敏感詞]的溫度變化,在包括全天在內的25小時內監測實驗參數。實驗過程中,室溫[敏感詞]值和小值的差異接近5°C,[敏感詞]和小相對濕度值的差異約為17%,風速變化為0.55 m/s。


                     這些測量是在博洛尼亞工業工程系的“Roberto Alessi”實驗室進行的,持續了25個連續小時以上,從7月31日至8月1日。所選用的房間是一個約650平方米的實驗室(請參見圖1中[敏感詞]區域),用作技術物理實驗室,當然不具備劇院的聲學品質。但是,對于分析的目的,房間的聲學質量不是相關的。
                1686905181659.jpg
                另一方面,就熱濕參數可達到的變化范圍而言,其幅度更為顯著。尤其在夏季,由于建筑物近乎整個外表面都會受到陽光的照射,因此能夠保證相當寬廣的溫度范圍。此外,還擁有可調節強度的天花板通風系統,使得風速從零到[敏感詞]約0.5米/秒之間變化,這個值顯然并不高,但對于封閉空間研究來說已經足夠充分。

                       

                       本節討論了聲學參數測量結果及數據的統計分析。[敏感詞]的獨立變量是空氣速度,而它是故意調整的。氣流速率對房間的空氣溫度和濕度有顯著影響。房間的聲學特性也受到空氣速度變化的影響,正如前面所示,尤其是D50表現出比其他主要聲學參數更顯著的波動。當通風系統關閉時,顯然聲學特性的波動減少或變得穩定。在本研究范圍內,空氣速度波動是影響房間聲學特性變化重要的環境組成部分。

                       在九個聲學參數中,EDT和G中的溫度表現出強的線性關系。對于低頻和中頻,與其他參數相比,D50受溫度影響[敏感詞],其次是C80和C50。在高頻方面,溫度對G的影響[敏感詞],其次是D50。其余七個參數的影響程度較小。

                       除T30之外,所有聲學參數與濕度都有明顯的線性關系。與溫度類似,濕度的變化對D50在低頻和中頻方面的影響大于對其他參數的影響。在更高頻段中,D50仍然是受濕度波動影響[敏感詞]的參數,其次是G。在整個頻率范圍內,對于LE和LF,濕度的變化對其影響極小。

                       與ISO 9613-1標準相反,實驗結果表明,聲學衰減對濕度變化不敏感。封閉的室內環境的邊界和更復雜的外部空氣介質可能是原因之一。此外,本研究結果與Gomez-Agustina等人的研究結果不一致?;祉憰r間與高頻段的溫度呈負線性相關。此外,在測試期間發現,當進行二元回歸分析時,結果與一元回歸分析保持一致。這種相反的結果可能是因為Gomez-Agustina等人的研究集中在地下空間(如地鐵站)上,這些空間相當廣闊,可能與列車經過時風速強相關。此外,所選擇的參數為T40,不同于一般選擇的(T60、T30和T20),并且所分析的頻率超過了8000 Hz。

                       本研究采用交叉驗證RMSE和MAE評估了模型的預測能力。將溫度作為獨立變量時,模型對T30和EDT在高頻段的預測更準確。對于G、C50、C80、D50和IACC,在低頻率上模型的預測精度更高。對于LE和LF,在中頻率上模型的預測結果更接近真實值。當濕度被視為獨立變量時,結果也是相似的。

                       此外,應當注意,當房間過高時,房間空氣溫度分布的差異很容易發生,并且如果其通風系統沒有恰當構建,情況可能會惡化。由此產生的溫度梯度和隨之而來的對流氣流對聲學特性有重大影響。這種影響應該在音樂廳和劇院的聲學設計中考慮到,因為溫度波動可能會導致聽覺體驗中明顯的座位區域以及金屬樂器的熱膨脹,可能導致它們失調。

                       

                       本研究探討了房間的主要聲學參數,以及溫度、濕度和氣流速度變化如何影響它們。從混響時間(T30)、早期衰減時間(EDT)、強度(G)、清晰度(D50)、清晰度(C50和C80)、聽覺交叉相關系數(IACC)、側向分數(LF)和側向效率(LE)的數據收集和基于R的統計分析出發,進行了數據收集和分析。

                       本研究的實驗工作表明,聲學參數的變化和溫度、濕度變量的變化呈線性相關。利用數據收集和基于R的統計分析,確定了每個參數在不同頻率下對溫度和濕度變量的靈敏度。

                       需要進行進一步的研究來確認預測模型的準確性并進行進一步校準。此外,雖然可以推斷聲學參數對濕度和溫度的依賴應該是基于JND(僅可感知差異)的被人們在房間中感知,但進一步研究可進一步考察這樣的明顯的濕度-溫度變化在多大程度上是可察覺的。 

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