建筑声学与动态声场

第一讲建筑声环境概述从人的感受上声音分两类：C类：舒服的，如音乐、歌唱、生活中的交谈等。ComfortableU类：不舒服的，如噪声、爆炸声、刺耳的啸叫声等。Uncomfortable有时，C类也会转换成U类，如邻居的歌声、节日里的爆竹声等。声环境设计围绕着人的感受，在建筑设计中做到：1、如何保证C类的声音听清听好——音质设计。2、降低U类声音（噪声）对正常工作生活的干扰——噪声控制。1.1声环境设计的意义声环境设计是专门研究如何为建筑使用者创造一个合适的声音环境。人们可以听到的声音都属于声环境范畴。人们可以听到谈话、鸟鸣、音乐、泉水叮咚、歌声等；但也能听到吵闹、机器轰鸣、车辆的轰鸣等噪声。1.2建筑声环境研究的内容1.2.1音质设计主要是音乐厅、剧院、礼堂、报告厅、多功能厅、电影院、体育馆等。设计得好:音质清晰、丰满、浑厚、亲切、温暖、有平衡感、有空间感。设计得不好:嘈杂、声音或干瘪或浑浊，听不清、平衡感和空间感差。中央音乐学院音乐厅（已重建）维也纳音乐厅石家庄铁道学院礼堂首都剧场怀特大海乐园北大纪念堂、人大会堂（小礼堂）设计不好或完全没有考虑声学的设计良好的实例：1.2.2隔声隔振主要是有安静要求的房间，如录音室、演播室、旅馆客房、居民住宅卧室等等。对于录音室、演播室等声学建筑对隔声隔振要求非常高，需要专门的声学设计。对于旅馆、公用建筑、民用住宅，人们对隔声隔振的要求也越来越高。随大跨度框架结构的运用，越来越多地使用薄而轻的隔墙材料，对隔声隔振提出了更高的设计要求。实例：1.2.3材料的声学性能测试与研究吸声材料：材料的吸声机理、如何测定材料的吸声系数、不同吸声材料的应用等等。隔声材料：材料的隔声机理，如何提高材料的隔声性能，如何评定材料的隔声性能，材料隔振的机理，不同材料隔振效果等。实例：1）天花板吸声性能、剧场座椅吸声性能。2）轻质隔墙产品隔声性能、如何提高隔声能力？3）军委演播大厅雨噪声问题。1.2.4噪声的防止与治理噪声的标准、规划阶段如何避免噪声、出现噪声如何解决、交通噪声。实例：教师住宅受交通噪声影响，教师选房问题。1.2.5其他电声。模型声学测定。声学测量：声音本身性质的测定、房间声学的测定、材料声学性质的测定。声学实验室的设计研究。计算机模拟。1.3建筑声学发展简史古罗马的露天剧场露天剧场存在的问题是：1、露天状态下，声能下降很快。2、相当大的声能被观众吸收。3、噪声干扰。解决方法：加声反射罩；控制演出时周围的噪声干扰。中世纪教堂建筑自从罗马帝国被推翻后，中世纪建造的唯一厅堂就是教堂。中世纪的室内声学知识主要来源于经验，科学的成分很少。教堂的声学环境的特点是音质特别丰满，混响时间很长，可懂度很差。十五世纪的剧场十五世纪后欧洲建了很多剧场，有些剧场的观众容量很大。如意大利维琴察，由帕拉帝迪奥设计的奥林匹克剧院，建于1579~1584，有3000个座位。又如1618年由亚历迪奥设计的意大利帕尔马市的法内斯剧场，可容纳观众2500人。从掌握的资料来看，虽然这个时代的建筑师几乎没有任何室内声学知识，但这个时代建造的几座剧院和其他厅堂没有发现任何显著的音质缺陷。主要的原因是由于观众的吸声和剧场内华丽的表面装饰起到了扩散作用，使剧场的混响时间控制比较合理，声能分布也比较均匀。17世纪的马蹄形歌剧院从十五世纪修建的一些剧院发展到十七世纪，出现了马蹄形歌剧院。这种歌剧院有较大的舞台和舞台建筑，以及环形包厢或台阶式座位，排列至接近顶棚。这种剧院的特点是利用观众坐席大面积吸收声音，是混响时间比较短，这种声学环境适合于轻松愉快的意大利歌剧演出。在十七世纪开始有人研究室内声学。十七世纪的阿．柯切尔所著的《声响》,最早介绍了室内声学现象，并论述了早期的声学经验和实践。十九世纪初，德国人E.F.弗里德利科察拉迪所著的《声学》一书中，致力于解释有关混响的现象。19世纪的音乐厅19世纪的音乐厅音乐厅早期发展阶段是在十七世纪中后到十九世纪，包括：早期音乐演奏室、娱乐花园和大尺度的音乐厅，是后来古典“鞋盒型”音乐厅的就是在这一时期逐渐发展起来的。19世纪前作曲家所做的音乐作品是与其表演空间相适应的，这一时期的演奏空间基本是矩形空间。19世纪以后，随着浪漫主义音乐及现代音乐的产生，演出空间变得丰富多彩，出现了扇形、多边形、马蹄形、椭圆形、圆形等多种形状，其混响时间及室内装饰风格也各不相同。在这一时期，音乐厅的声学设计仍然没有太多的理论可以遵循。世界上最佳声学效果的三大音乐厅美国的波士顿音乐厅荷兰的阿姆斯特丹音乐厅奥地利维也纳格鲁斯音乐厅音乐厅声学设计理论的出现从十九世纪开始，在维也纳、莱比锡、格拉斯哥和巴塞尔等城市，都建造了一些供演出的音乐厅，这些十九世纪建造的音乐厅已反映出声学上的丰硕成果，直到今天仍然有参考价值。到二十世纪，赛宾（WallaceClementSabine，1868-1919）（哈佛大学物理学家、助教）在1898年第一个提出对厅堂物理性质作定量化计算的公式——混响时间公式，并确立了近代厅堂声学，从此，厅堂音质设计的经验主义时代结束了。音乐厅声学设计理论的出现赛宾在28岁时被指派改善哈佛福格艺术博物馆（FoggArtMuseum）内半圆形报告厅的不佳音响效果，通过大量艰苦的测量和与附近音质较好的塞德斯剧场（SanderTheater）的比较分析，他发现，当声源停止发声后，声能的衰减率有重要的意义。他曾对厅内一声源（管风琴）停止发声后，声音衰减到刚刚听不到的水平时的时间进行了测定，并定义此过程为“混响时间”，这一时间是房间容积和室内吸声量的函数。1898年，赛宾受邀出任新波士顿交响音乐厅声学顾问，为此，他分析了大量实测资料，终于得出了混响曲线的数学表达式，即著名的混响时间公式。这一公式被首次应用于波士顿交响音乐厅的设计，获得了巨大成功。至今，混响时间仍然是厅堂设计中最主要的声学指标之一。室内声学设计的相关理论(a)马歇尔的侧向声原理：1967年，新西兰声学家马歇尔（HaroidMarshall）教授最先将人的双耳收听原理同音乐厅的声学原理结合起来，认为19世纪“鞋盒型”音乐厅的绝佳音质，除缘于混响时间及声扩散以外，直达声到达听众后的前50~80ms的早期侧向反射声起着极为重要的作用。在这些音乐厅中每个听众都接受到强大的早期反射声能，其中侧向反射比来自头顶的反射声更为重要，因为它提供给听众更强的三维空间感和音乐的环绕感。1968年，马歇尔（A.H.Marshall）提出了“早期侧向反射声”对音质起重要作用，认为需要有较多的早期侧向反射声，使听者有置身于音乐之中的一种“空间印象（spatialimpression）”感觉，空间感对响度及与低音相关的温暖感很重要。由于声音向后传播时，观众头顶的掠射吸收使声能衰减，必须靠侧向反射将声音传至观众席后部。这些发现意义重大，从此开始了将反射声的空间分布与时间系列相结合的新的研究阶段。该理论已成为近期影响音乐厅形状设计的主要理论，使新建音乐厅开始注重并应用侧向反射声。室内声学设计的相关理论(b)IACC两耳互相关函数日本声学家安藤四一（Y.Ando）教授在70年代做了一系列模拟双耳接收的“内耳互相关”实验研究，实验表明音质与反射声的水平方向分布有关。布朗（M.Barron）在近20年来对不同方向、不同强度、不同时延的反射声的听感进行了长期研究，得到实验结论为：过高声级和过短延时的反射声会产生声像漂移（这与哈斯（Haas）效应相一致）或染色效应；过长的延时有回声干扰的感觉；只有大约5～80ms延时的反射声，并且有足够的侧向反射声能量才会有“空间印象”的效果。80年代，安藤四一教授在德国哥廷根大学的研究引入了唯一的双耳（空间）评价标准——双耳听觉互相关函数(IACC)，它表示两耳上的信号之间的相互关系，这种相互关系又是声场空间感的量度。双耳听闻效应属心理和生理声学研究范畴，它提示了音乐厅中侧向反射的重要性，既使人了解到“鞋盒形”音乐厅音质良好的原因，同时也掌握了“鞋盒形”以外的其它有效的声学设计造型。80年代中期美国加州桔县新建的一座音乐厅（SegerstromHall），可谓这方面杰出的代表之作。IACC作为评价空间感的指标，它开辟了音质研究的一个新途径，也使音乐厅的音质评价建立在更为科学的基础上。但在技术上还存在不少问题，例如指向性传声器的选择，测定用声源的选择（声源信号不同，结果大不相同）等等。建筑声学设计的复杂性1962年9月23日开幕的纽约林肯中心爱乐音乐厅,为了对此厅进行有效的声学设计，白瑞纳克博士对世界上已有的54座著名音乐建筑进行了系统调研，并著有《音乐、声学和建筑》一书，却在音质方面遭到前所未有的失败。多次改装,后于1976年10月19日再次落成，成为音乐厅建筑史上最悲惨的实例。据最近消息，其演奏空间仍在进行小范围改造。据分析，爱乐音乐厅的失败主要缘于原声学顾问白瑞耐克认识上的局限性。他只强调亲切感而没有认识到侧向反射声的重要性，顶棚反射板增加的反射声几乎同时到达听众的双耳，缺少侧向反射带来的围绕感。此外，为了在直达声与后期反射声之间插进一些早期反射声，他在大厅中引进了“浮云”，但由于浮云尺度过于单一，且呈晶格状规则布置，导致相邻低频声的相消干涉，使听众听不到有些演奏（如大提琴）的声音，成了一种“无声电影”。而且，这些浮云的大小和形状不足以扩散低频反射声，使低频成份衰减得很厉害，还显出了G.M.Sessier和J.E.West所发现的另一不利现象，即直达声掠过多排座席时低频声衰减越来越多。事实上，现代音乐厅的音质之所以不如古典先例，关键在于古典音乐正是在古典形式的厅堂中产生和发展起来的，现代厅堂在尺度、体型和材料等方面已有了很大变化，而在其间演奏的音乐（绝大多数）依旧是原来的音乐。声学上的探索正在逐步揭开厅堂音质之迷。然而看看历史上许多失败的例子，音乐家们对新音乐厅的不满和不安不会消除。建筑师们一方面积极研究有效利用新的声学理论及技术成果，一方面又不得不在某种程度上碰运气，不断祝愿自己能博得缪斯女神们的微笑。现代的建筑声学1930年以后出现了电影，从那时开始，高质量的录音和重现在科学、教育、文化、社会活动、娱乐中开始起到极大的作用。无线广播的飞速发展，给声学提出了一系列新问题，同时也为人们提供了更多更高级的音乐欣赏技术。声学材料的大量生产和实验室实验，给建筑师控制建筑内的声学问题提供了必要的工具。世界各国修建了相当大规模的厅堂。隔声隔噪、吸声降噪、噪声源控制等噪声处理问题在现代社会中越来越引起人们的重视。噪声于建筑密不可分，噪声污染的防治与治理已经成为建筑声学重要的组成部分。噪声规划、噪声控制等理论也逐渐演化开来。第二讲声环境设计的基本知识2.1声音的基本性质2.1.1声音的产生和传播声音产生于振动，振动的物体是声源。“声”由声源发出，“音”在传播介质中向外传播在空气中，声源振动迫使其周围紧邻的空气质点产生往复振动，该振动迅速在空气中传播开来，这种振动的传播称为声波。声波为纵波，介质（空气等）的质点振动方向平行声波传播方向（疏密变化）。声波传播到人耳，引起人耳鼓膜的振动，带动听骨振动，由耳蜗、听神经等形成神经脉冲信号，通过听觉传导神经传至大脑听觉中枢，形成听觉。振动与波动2.1.2频率、波长与声速描述声波的基本物理量f：频率，每秒钟振动的次数，单位Hz(赫兹）：波长，在传播途径上，两相邻同相位质点距离。单位m声波完成一次振动所走的距离。C：声速，声波在某一介质中传播的速度。单位m/s。在空气中声速：•在0oC时，C钢=5000m/s,C水=1450m/s在15oC时，C空气=340m/s参数间存在如下关系：c=f*或=c/fuser:声源、介质质点、声接收点的振动频率相同；传播的振动形式而非质点。•人耳可听频率范围（听域）为20Hz~20KHz,20Hz为次声20KHz为超声。其中，人耳感觉最重要的部分约在100Hz~4000Hz,相应的波长约3.4m~8.5cm2.1.3声波的绕射、反射和散射•声波作为机械波，具有机械波的所