声学处理材料入门详解

不论是HiFi音箱还是家庭影院，亦或是录音棚和电影院，音箱系统都会和房间产生相互作用。在建筑相关国家标准中通常会规定房屋的隔音性能指标，但通常不会涉及到对反射声的处理。通常如果一个房间不做任何声学处理，再好的音箱也会由于房间的干扰而遇到瓶颈。此时，声学处理材料可以说是必须品。

声学处理材料按照功能大致可以划分为吸声材料、扩散材料和隔音材料。其中吸声材料除了常规吸声板以外，另一种则是通常用于专门吸收低频的低频陷阱。不过，在这里我想首先讲一下吸声材料与隔音材料的区别，这也是很多人有所误解的地方。而要明白这两者的区别，首先则需要了解声音在传播到我们常见的墙壁后会怎样继续传播。

入射声-反射声=吸声系数

入射声-透射声=传输损耗

还有一部分声音被墙壁吸收变成热能。

从以上关系其实不难发现，隔音只要保证尽可能少的透射声即可，但不一定具有良好的吸声作用。这里举一个比较极端的例子，如果房间的墙壁是十分光滑的双层墙壁，隔音性能因为双层设计非常优秀，但由于墙壁表明十分光滑，所以反射声尤其是高频很强烈吸声效果很差。

实际上现实中也确实有很常见的类似设计，例如双层隔音玻璃，隔音效果不错，但玻璃表面的光滑属性会导致反射声也十分强烈，这样的双层隔音玻璃几乎不具备吸声效果。

与此同时，常见的吸声材料通常隔音性能也比较一般，通常不如相同厚度的墙壁。

传统的吸声材料为多孔类材料，或者学名为声阻式吸声材料。声波的本质是一种振动，确切的说对于音箱系统而言，是空气振动。当空气振动传递到这种吸声材料时，会被细小的孔状结构逐渐缓解振动，并转换为热能。

通常来说，吸声材料越厚，这样的小空洞在声音传播的方向上就越多，对随即入射或者小角度入射的声音的吸收效果就越好。我们通常能在市面上买到吸声材料主要有30mm厚度和60mm厚度两种。我的建议是，能买60mm就不要买30mm。

另一方面，声阻式吸声材料存在有效吸收的低频截止频率，这通常与吸声材料的厚度有关，大概需要波长的1/4。所以声阻式吸声材料几乎不太可能用来吸收低频，对于低频需要其他类别的处理材料。

与此同时，吸声材料的吸声系数与声音的入射角度同样有关。例如高密度纤维板，反而在大角度下对声音具有反射能力。

首先，我们还是要明白什么是声音的扩散或者说扩散材料的作用到底是什么。

当声音入射到墙壁时，有一部分声音会沿着几何方向出射继续传播，但是通常这一过程并不是绝对的“镜面反射”。如果是理想的绝对反射，声音经过表面后应该完全按照几何方向出射，并且在出射方向的能量与入射方向一致，整个过程不损失能量，可以理解为完全没有扩散，或者更通俗的理解为光学中的镜面反射。

而理想的扩散，则是没有任何主要出射方向，声音在入射表面后均匀的向空间中各个方向出射，可以通俗理解为光学中的漫反射。

当然，这一切还与声音的波长等因素有关。实际听音环境不但需要一定的扩散，更应该尽量避免例如整面落地玻璃等强反射。但这就意味着反射声会更复杂，计算量也更大。

有些时候我们需要一定的反射声，但不需要特别强烈的反射声，就可以在对应位置放置扩散材料。再比如，有些时候如果房间内全是吸声材料，会吸收过多的声音。扩散材料可以在降低早期反射声的同时，保证后期反射声，让小房间也有一定的混响效果。通常来说，对于立体声音箱系统，推荐房间内有一定的扩散材料，而对于家庭影院系统，可以适当减少扩散材料或者有时也可以采用全吸声设计。

刚才我们提到，扩散材料的最低有效频率或者说最低扩散频率与扩散体的凸起尺寸有关，通常来说扩散体的凸起越多，可以有效扩散的频率越低。从下图中不难看出，单个30cm的柱状扩散体已经具有非常低频率的良好扩散特性，多个扩散体并列放置反而导致扩散性能丧失。

也有一些把这类扩散体做成罗马柱外观，同时兼具美学设计感的案例。而且实际上由于目前很多发烧友的房间并不大，可能并不需要如此的扩散体。一般的二次余数扩散板的有效频率大约在700~1000Hz。有时候频率的选择也应酌情而定。

与此同时，我们常见的HiFi音箱系统和家庭影院等家用小房间听音环境也没必要使用凸起过多的扩散体。因为声音的扩散通常用几何声学来解释，一旦频率低于房间的过度频率，就是波动声学的范畴。或者说小房间适用的扩散材料通常不必像歌剧院和音乐厅那样厚。

上文中提到，声阻式吸声材料如果想要有效吸收低频几乎是不现实的。对于低频的吸收，往往需要依靠其他原理的材料。

亥姆霍兹共振体是一种很常见的声学结构，常用于汽车、摩托车排气管降噪等应用场合。其原理为在一个空腔V上开一小口，接上一段短管，就组成了最简单的器件亥姆霍兹共振器。如果短管中的空气柱S受到扰动，向腔内运动，腔内气体受到压缩，压强增加。空气柱S的向内运动受阻，转而向外运动，经过平衡位置后，由于惯性作用继续向外运动。这时腔内压强减小，使空气柱S停止向外，又向内运动，周而复始。

亥姆霍兹共振器的共振频率为：

c是声速，25摄氏度空气中取346m/s，S是颈或开口的截面积，d是颈或开口的直径，l是颈的长度，V是容器的容积

当声音的频率和共振频率相同时，会产生较强的机械波。选择低频陷阱时需要注意对应的共振频率，一般商家会明确标注，也可以通过以上原理进行计算。

膜式机械共振吸声体则是另外一种针对低频的吸声材料，通常由建筑设计例如多层墙体设计实现，对于绝大多数普通玩家意义不大，除非是土豪专门单独盖一个房子用来发烧。

由于房间驻波等因素，通常会在某些频段产生额外的增益，导致低频“轰隆隆”的共鸣。低频陷阱可以在一定程度上消除这些房间模式带来的peak干扰。当然，也可以采用多低音炮或者DSP数字信号处理等方法。

前文已经详细解释，材料的隔音性能与吸音性能有所不同。吸声材料往往利用材料内的小孔结构。然而这种小孔结构通常也会导致声波透射传播。而想要阻止声音进一步从材料内透射传播，需要尽可能减小空腔结构，提高材料的密度。

通常隔音材料的隔音性能与材料的密度有关。购买高密度隔音材料可以进一步提升房间的隔音性能。然而，单层隔音材料有时依旧具有局限性，此时可以采用双层隔音处理，并且在两层隔音材料中添加额外的阻尼材料。不过需要注意的是，尽可能避免两层隔音材料采取相同的厚度，以避免吻合频率重复。如果在实际施工装修时，应该先做全屋隔音处理，在进行吸声和扩散处理。

声学处理对于音箱系统来说可以说是必须的。但声学处理也不是“跳大神”似的随机应用，了解相关基础常识是进行正确声学处理的重要前提。声学处理设计也和房间、音箱系统等密切相关，没有绝对固定的方案或者答案，最终应该以实际情况为准。

更多相关文章：

鬼斧神工119：如何用AKG K361BT获得完胜苹果AirPods Max的音频体验？这也许是目前最好的虚拟音频。​zhuanlan.zhihu.com