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大氣氣壓、溫度、空氣濕度等環(huán)境條件對HIFI音響聲音表現(xiàn)的影響
發(fā)布時間：2023-06-16
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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(yīng)，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(qiáng)度正弦波的疊加。這種變換的過程，稱為傅立葉變換。
聲波在介質(zhì)中傳遞的速度，稱為聲速(或音速)。聲速往往因介質(zhì)種類、狀態(tài)等因素而影響其行進(jìn)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(fēng)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(dāng)時空氣的傳聲速度時，稱為超音速。有關(guān)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(jīng)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(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的，此即為[敏感詞]的“孔特實(shí)驗(yàn)”，至于現(xiàn)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(zhàn)期間修訂沿用至今的。
空氣的“剛度”或其彈性模量不會隨濕度變化。 但是，密度確實(shí)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(zhì)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(zhì)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(shù)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(xué)參數(shù)的測量要求系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)的。因此，本文的實(shí)驗(yàn)旨在測試這個假設(shè)，并嘗試量化房間溫度、相對濕度和空氣流速變化對聲學(xué)參數(shù)的影響。采用預(yù)均衡的ESS（指數(shù)正弦掃描）信號進(jìn)行了房間聲學(xué)參數(shù)的測量[19]。所有記錄的音軌都通過ESS的反濾波器進(jìn)行了后處理，終計(jì)算出了聲學(xué)參數(shù)。
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(fēng)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(fēng)系統(tǒng)的強(qiáng)度也定期增加，盡可能達(dá)到[敏感詞]值，然后以相同的方式降低，直到完全關(guān)閉。
在本次實(shí)驗(yàn)中，共進(jìn)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(jì)301項(xiàng)測量結(jié)果。從沖激響應(yīng)中確定了下列聲學(xué)參數(shù)：
混響時間T20（秒）和T30（秒）；
早期衰減時間EDT（秒）；
強(qiáng)度G（分貝）；
清晰度C50（分貝）和C80（分貝）；
定義D50（%）；
雙耳交叉相關(guān)IACC；
側(cè)向效率LE；
側(cè)向分?jǐn)?shù)LF。
本節(jié)分析溫度、相對濕度和風(fēng)速變化以及主要的房間聲學(xué)參數(shù)。后，基于R語言分析了聲學(xué)參數(shù)測量值與溫度、相對濕度和風(fēng)速變化之間的關(guān)系，這些關(guān)系在以前的研究論文中沒有被提及。溫濕度參數(shù)分析圖中展示了溫度、相對濕度和風(fēng)速的變化值。
圖中清楚地說明了相對濕度如何響應(yīng)溫度變化而變化，反之亦然。這與溫度和濕度之間存在負(fù)相關(guān)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(nèi)的25小時內(nèi)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(fēng)速變化為0.55 m/s。
另一方面，就熱濕參數(shù)可達(dá)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(dāng)寬廣的溫度范圍。此外，還擁有可調(diào)節(jié)強(qiáng)度的天花板通風(fēng)系統(tǒng)，使得風(fēng)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(jīng)足夠充分。
本節(jié)討論了聲學(xué)參數(shù)測量結(jié)果及數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。[敏感詞]的獨(dú)立變量是空氣速度，而它是故意調(diào)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(xué)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(xiàn)出比其他主要聲學(xué)參數(shù)更顯著的波動。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)閉時，顯然聲學(xué)特性的波動減少或變得穩(wěn)定。在本研究范圍內(nèi)，空氣速度波動是影響房間聲學(xué)特性變化重要的環(huán)境組成部分。
在九個聲學(xué)參數(shù)中，EDT和G中的溫度表現(xiàn)出強(qiáng)的線性關(guān)系。對于低頻和中頻，與其他參數(shù)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(shù)的影響程度較小。
除T30之外，所有聲學(xué)參數(shù)與濕度都有明顯的線性關(guān)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(shù)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(shù)，其次是G。在整個頻率范圍內(nèi)，對于LE和LF，濕度的變化對其影響極小。
與ISO 9613-1標(biāo)準(zhǔn)相反，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聲學(xué)衰減對濕度變化不敏感。封閉的室內(nèi)環(huán)境的邊界和更復(fù)雜的外部空氣介質(zhì)可能是原因之一。此外，本研究結(jié)果與Gomez-Agustina等人的研究結(jié)果不一致。混響時間與高頻段的溫度呈負(fù)線性相關(guān)。此外，在測試期間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)行二元回歸分析時，結(jié)果與一元回歸分析保持一致。這種相反的結(jié)果可能是因?yàn)镚omez-Agustina等人的研究集中在地下空間（如地鐵站）上，這些空間相當(dāng)廣闊，可能與列車經(jīng)過時風(fēng)速強(qiáng)相關(guān)。此外，所選擇的參數(shù)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(yàn)證RMSE和MAE評估了模型的預(yù)測能力。將溫度作為獨(dú)立變量時，模型對T30和EDT在高頻段的預(yù)測更準(zhǔn)確。對于G、C50、C80、D50和IACC，在低頻率上模型的預(yù)測精度更高。對于LE和LF，在中頻率上模型的預(yù)測結(jié)果更接近真實(shí)值。當(dāng)濕度被視為獨(dú)立變量時，結(jié)果也是相似的。
此外，應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)房間過高時，房間空氣溫度分布的差異很容易發(fā)生，并且如果其通風(fēng)系統(tǒng)沒有恰當(dāng)構(gòu)建，情況可能會惡化。由此產(chǎn)生的溫度梯度和隨之而來的對流氣流對聲學(xué)特性有重大影響。這種影響應(yīng)該在音樂廳和劇院的聲學(xué)設(shè)計(jì)中考慮到，因?yàn)闇囟炔▌涌赡軙?dǎo)致聽覺體驗(yàn)中明顯的座位區(qū)域以及金屬樂器的熱膨脹，可能導(dǎo)致它們失調(diào)。
本研究探討了房間的主要聲學(xué)參數(shù)，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(qiáng)度（G）、清晰度（D50）、清晰度（C50和C80）、聽覺交叉相關(guān)系數(shù)（IACC）、側(cè)向分?jǐn)?shù)（LF）和側(cè)向效率（LE）的數(shù)據(jù)收集和基于R的統(tǒng)計(jì)分析出發(fā)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集和分析。
本研究的實(shí)驗(yàn)工作表明，聲學(xué)參數(shù)的變化和溫度、濕度變量的變化呈線性相關(guān)。利用數(shù)據(jù)收集和基于R的統(tǒng)計(jì)分析，確定了每個參數(shù)在不同頻率下對溫度和濕度變量的靈敏度。
需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究來確認(rèn)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性并進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn)。此外，雖然可以推斷聲學(xué)參數(shù)對濕度和溫度的依賴應(yīng)該是基于JND（僅可感知差異）的被人們在房間中感知，但進(jìn)一步研究可進(jìn)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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