音場：自由場與漫射場、近場與遠場

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聲學領域中有許多術語用來描述聲音發射物周圍的聲學場。以下列出了其中四個最重要的術語：

1. 近場 (Near Field)

2. 遠場 (Far Field)

3. 自由場 (Free Field)

4. 漫反射場 (Diffuse Field)

這篇文章解釋了這些聲學聲音場術語的差異和用法。

近場與遠場

正如人們所猜想的那樣，聲學術語「近場」和「遠場」與觀察者與聲源的物理距離有關 (見圖1)。取決於觀察者距離聲音發射物有多遠，聲源產生的聲能會有不同的行為。因此，了解這些差異並仔細設計測量是非常重要的。

圖1：在近場 (A) 和遠場 (B) 中，聲波表現出不同的行為。

遠場

聲學遠場大約從距離聲源1個波長的地方開始，向外延伸至無窮遠 (見圖2)。由於波長是頻率的函數，遠場的起點也是頻率的函數。遠場被定義為聲壓和聲學粒子速度處於相位一致的區域，並且聲壓級每加倍距離減少6 dB。

圖2：遠場始於距離聲源約1個波長的地方。

在遠場中，聲源距離足夠遠，基本上可以看作是遠處的一個點，沒有可識別的尺寸或大小。在這個距離上，聲波的球形形狀已經增長到足夠大的半徑，可以合理地將波前近似為平面波，沒有曲率 (見圖1的點B)。在這個距離上，聲壓級受到反比平方定律的控制，一個單獨的麥克風聲音錄製將給出可靠且可預測的結果。每加倍距離遠離聲源，聲壓在遠場將下降6 dB，假設沒有反射 (參見下面的「自由場」)。

在許多聲學標準中，測量通常在距離聲音發射物至少一米的地方進行，以確保測量在最關鍵的頻率下處於遠場。

近場

靠近聲源時，聲波的行為更加複雜，壓力和距離之間沒有固定的關係。非常靠近聲源時，聲能會與聲源的振動表面來回循環，永遠不會逸出或傳播開來。這些有時被稱為「消散波」。隨著我們遠離聲源，一部分聲場繼續循環，一部分從物體傳播開來 (見圖3)。

圖3：近場是複雜的，聲能同時循環和傳播。

這種從循環到傳播的過渡以不可預測的方式持續，直到我們達到大約一個波長或聲源最大尺寸的三倍的閾值距離為止，以大者為準。這個複雜區域被稱為聲學的「近場」。循環和傳播波的混合意味著在近場中距離和聲壓之間沒有固定的關係，使用單個麥克風進行測量可能會帶來問題且不可重複。通常，在近場進行測量需要使用多個麥克風 (見圖4) 以便準確地捕捉由循環和傳播波承載的能量。

圖4：接近聲源使用多個麥克風的聲學陣列可以準確捕捉近場的聲能。

自由場與漫反射場

當聲音從物體散射出去時，它可以通過直線傳播直接到達觀察者，或者通過反射間接到達。反射的聲波可以從牆壁、地板、天花板以及區域內的其他物體彈回來。通常，當我們聽到聲音時，我們同時接收到直接和反射的聲波。然而，在精心控制的情況下，我們可以體驗到這一連續兩個極端：1）一個聲學場景，在其中不存在反射，只有直接聲音被觀察到；2）相反的聲學場景，在其中不存在直接聲音，只有反射聲音存在。這兩個極端聲學環境的名稱分別是自由場和漫反射場 (見圖5)。

圖5：自由場 (零反射) 和漫反射場 (僅反射) 的示意圖。

自由場

在聲學自由場中，沒有反射；聲波直接從聲音發射物到達觀察者。聲波通過觀察者時僅經過一次，永遠不會返回。

聲學自由場的兩個常見例子包括：

聲源距離足夠遠，看起來像是遠處的單一點源。想像一架飛機在晴朗的天空高空飛行。

吸音室是一個特殊的設施，通過使用材料吸收聲波，使其不能反射，以近似聲學自由場 (見圖6)。

圖6：消音室用於近似自由場。

在消音室中，特別設計的玻璃纖維楔形物覆蓋牆壁、地板和天花板，以吸收聲音，使其不會反射。為了保持效果 (尤其是在低頻時)，這些房間需要非常大，帶有長楔形物，並且通常需要與周圍建築和基礎隔離，以防止振動傳遞到房間。

漫反射場

漫反射場描述的是一種聲學場景，聲波從所有方向到達觀察者。當反射的聲音到達觀察者時，其幅度與直接聲音相似，因此看起來沒有單一的聲源。在漫反射場中，麥克風測量的幅度不受方向或位置的影響；聲壓水平在任何地方都是相同的。圖7顯示了用於聲學材料測試的混響室。

圖7：一個混響室具有高反射牆壁，用於創造漫反射聲音場景。

混響室的設計是在斜角建造具有反射性的牆壁，使得沒有牆壁是彼此平行的。這導致聲波在房間內最大程度地反射多次，有助於創造漫反射場。通常，對大型牆壁添加半球形特徵以增加波的衍射 (擴散)，增加房間的漫反射性。其中一個這樣的半球體可以在圖7中看到。

如何判斷

通過視覺檢查很難確定存在哪種類型的聲學場景。

使用聲學測量，可以觀察到以下情況：

如果是在自由場、遠場聲學環境中，從聲音發射物加倍距離時，測得的聲壓級會降低6分貝。這種行為可由反比平方定律解釋。

在漫反射場，如混響室中，無論麥克風測量錄製的位置在哪裡，聲壓水平都是相同的。

在完全漫反射的聲音場景中，聲音強度為零。

結論

在測量聲音時，聲學場景行為是一個重要的考慮因素。了解場景類型是很重要的，這樣可以正確解釋聲音測量水平。

在某些情況下，可以應用漫反射或自由場的校正來調整測量水平。漫反射和自由場的校正通常適用於麥克風、耳機和雙耳測量設備。