维也纳声学院室内音质设计

维也纳声学院室内音质设计室内声学处理在以听闻为主要功能的建筑中，如音乐厅、剧院、影院、影剧院、礼堂、教室、讲堂、多功能厅、体育馆、录音室、广播室、演播室、报告厅、审判厅、宗教场所等室内，需要通过室内声学处理，保证房间内的音质满足使用要求。一方面，需要通过建筑隔声、隔振、以及暖通空调消声处理来保证室内具有满足听闻要求的安静环境，另一方面，需要通过声学设计，对室内顶棚、墙面、地面等部位的形体设计和声学材料布置，为房间提供与使用目的相适应的声场环境——良好的室内音质。不良的室内音质会对厅堂的使用产生负面作用，甚至无法使用。例如，1954年建成的四川某人民大礼堂，圆形平面，穹顶，5层，4300座，顶面墙面均为硬质反射材料，建筑体型不合理，而且室内混响时间长、语言清晰度低，开会、演出等使用效果极差，后来很长一段时间仅作为标志性建筑供游人参观，于2004年改造，声学效果得到一定改善。还有，上世纪50年代建成的北京某剧场，1500座，投入使用后发现，观众厅内存在回声缺陷，好像有两个声源在发声一样，清华大学建工系研究后发现，回声是源于观众厅后墙长延时的声反射所致，1990年翻新改造时，在后墙上安装了吸声材料，回声问题得以消除。室内装修在视觉上“摸得着，看得见”，而隐含在其中的声学问题是无形的，而且只有全部装修完成后才能亲身体察声学的效果，造成在厅堂装修工程中常常只重视装修视觉效果而忽视声学，导致室内外表辉煌漂亮但音质不佳的后果。如海南某会议中心大会堂为了装修美观而将大块墙面做成镜面，导致混响偏长；上海某车站大厅顶部采光面太多、吸声太少，致使厅内混响很长，影响听音清晰度；湖南某机场候机厅吸声处理太少，造成机场广播听不太清楚；还有某些政府“一站式”服务办公大厅，装修缺少声学处理，人们在贯通的大空间内的讲话声相互干扰，人声鼎沸，严重影响工作效率；此类事例不胜枚举。音质设计不但要防止可能出现的不良音质状况，更高级的追求是创造音质建筑精品，为人们提供高品质听觉享受。但是，音质问题是复杂的，声学问题不仅与房间的物理条件和人的听觉生理特性有关外，还与民族特点、文化传统、艺术风格等有关。目前的研究水平距完全解决这一问题还有相当距离。一个音质极其优秀的大厅的出现，还多少带有一点偶然性；但是，要设计一个音质上能够满足使用要求的大厅，已经有规律可循了。从工程角度而言，这个规律一般是：②在建筑设计阶段，进行合理的室内音质设计，包括室内容积控制、体型控制、噪声控制等；②室内装修设计阶段，进行合理的声学装修设计，包括在合适的房间界面处设计合适的声学装饰材料及构造、合理控制混响时间及其频率特性等房间音质参数；③在施工阶段，应与甲方单位、建筑设计单位、施工单位、监理单位、材料供应商、设备供货（安装）商进行充分地沟通，协调各工种工艺之间的矛盾甚至对抗，通过对施工的合理控制，保证声学装修设计意图得以充分满足。④通过实验室测试、现场测试等测试手段，对材料、构造、工艺、设备、施工质量的声学效果进行事先检验和验证，根据测试结果进行适当的调整、修改，才能确保施工完成后达到音质设计的预期效果。室内音质工程，声学专业应在建筑设计方案阶段就参与设计，而且要贯穿在整个建筑施工图设计、室内装修设计和建筑施工的全过程。音质的主观评价与客观指标室内音质的好坏可以通过客观指标进行度量，同时也可通过使用者的主观感受进行评价。（1）主观评价标准判断室内音质是否良好的标准是使用者（听众或演员们）能否得到满意的主观感受。可归纳为下面五个方面的具体要求。每一项音质要求又与一定的客观声场物理量相对应。①合适的响度。响度是人感受到的声音大小，合适的响度使人们听起来既不费力又不感到吵闹，它是室内具有良好音质的基本条件。②较高的清晰度和明晰度。语言声要求具有一定的清晰度，而音乐需达到期望的明晰度。语言的清晰度的含义是听者能够听清讲话者的声音并可准确理解其含义。音乐的明晰度具有两方面含意，其一是能够清楚地辨别出每一种声源的音色，其二是能够听清每个音符，对于演奏较快的音乐也能够感到其旋律分明。③足够的丰满度。这一要求主要是对音乐声，语言则是次要的。丰满度的含意有：余音悠扬（或称活跃），坚实饱满（或称亲切），音色浑厚（或称温暖）。④良好的空间感。是指室内声场给听者提供的一种声音在室内的空间传播感觉。其中包括听者对声源方向的判断（方向感），距声源远近的判断（距离感又可称为亲切感）和对属于室内声场的空间感觉（环绕感、围绕感）。⑤无声缺陷和噪声干扰。声缺陷是指一些干扰正常听闻而使原声音失真的现象，如回声、声聚焦、声影、颤动回声等。声缺陷的出现会使听众感到听觉疲劳、厌烦、难以集中注意力。尤其是短促的语言声比音乐声更容易发现回声现象，因此，在音质设计中应全力避免声缺陷。噪声的侵入对室内音质有破坏作用。连续的噪声，特别是低频噪声会掩蔽语言和音乐；间断性噪声则会破坏室内宁静的气氛或录音效果。（2）客观指标音质设计，实际上是对与音质主观评价有关的客观物理指标进行控制。①声压级与混响时间声压级与响度是相对应的。一般的语言、音乐都有较宽的频带，它的响度大体上与经过A特性计权的噪声级dB(A)相对应。混响时间则与室内的混响感、丰满度有对应关系；较长的混响时间有较长的混响感，较高的丰满度。混响时间的频率特性(各个频率的混响时间)还与主观评价中音质的因素有密切关系。为保持声源的音色不致失真，各个频率的混响时间应当尽量接近。感到声音“温暖”是低频混响时间较长的结果，而“华丽”、“明亮”则要求有足够长的高频混响时间。混响时间与室内音质评价有密切的对应关系，而且它是最为稳定的一项指标。②反射声的时间与空间分布混响时间虽然与室内音质的主观感受关系巨大，但是房间中反射声的时间与空间分布也会影响人们的主观听音效果。在室内，听者接收到的有直接来自声源的直达声，也有经过天花、墙面等的反射后接收到的反射声。其中经过一次反射就被接收的叫一次反射声，经过多次反射后被接收的叫多次反射声。最先到达听者的是直达声，以后陆续到达的是各次反射声。由于各个反射声走过的路程长度各不相同，到达时间也就各不相同，迟于直达声到达的时间叫做“延时”，它们在时间轴上形成一个序列。观察这种序列的方法一般采用脉冲测量法，就是在声源位置上发出一个持续时间很短的脉冲声，在接收点上用传声器接收，经过放大后在计算机或示波器的荧光屏上显示，见图2.6-1。得到的图像叫做“回声图”，如图2.6-2所示。图2.6-1脉冲测量方法简图图2.6-2“回声图”的例子实验表明，直达声以后(35～50)ms以内到达的反射声有加强直达声(提高响度)和提高清晰度的作用；同时，听者对声源方向的感觉仍取决于直达声到来的方向。也就是说，在这个时间范围内，不管有来自什么方向的反射声，听者感觉到的只是来自声源方向的声音得到了加强。这样的反射声就是一般所说的近次反射声。对于音乐，近次反射声的时间范围可以扩大到直达声后80ms。与近次反射声相反，混响声则起降低清晰度的作用。当前面的音节发出后，它的混响声还要在室内延续，延续时间过长会掩蔽随后发出的音节，使单词或句子听起来含混不清。“亲切感”要求在直达声之后(20~35)ms之内有较强的反射声。在小型厅里，(20～35)ms正是直达声与最早的第一次反射声的时间间隔。在大型厅里，这样的反射声要靠布置专门的反射面。近次反射声不仅在时间分布上与音质有关，而且在其方向分布上也与音质有密切关系。来自前方(与声源方向相近)的近次反射声有加强亲切感的作用，而来自侧面的近次反射声，有形成围绕感的作用。这是音乐演出用房间，特别是音乐厅所不可缺少的。音质设计的方法与步骤（1）基本原则根据音质的主观评价与客观指标的关联，音质设计时应遵循以下几个原则：①防止外部的噪声及振动传入室内，使室内的背景噪声级足够低。②使室内各处都具有足够的响度。以自然声为主的大厅，要注意选择适当的规模。③安排足够的近次反射声。④使室内具有与使用目的相适应的混响时间。⑤防止出现回声、多重回声等声学缺陷。（2）厅堂的容积控制自然声(人声、乐器声等)为主的厅堂中，声源声功率是有限的。厅堂的容积越大，声能密度越低，声压级越低，也就是响度越低。表2.6-1给出了用自然声的厅堂的最大容许容积的参考数值，超过这个数就应当考虑设置电声扩声系统。表2.6-1用自然声的厅堂的最大允许容积用途最大允许容积/m3讲演话剧独唱、独奏大型交响乐2000～300060001000020000房间的混响时间与容积成正比，与室内的吸声量成反比。在室内的总吸声量中，观众的吸声量所占比率最大，一般都在一半左右。为了获得适当的混响时间，不同用途的厅堂有不同的适当的“每座容积率”，即折合每个观众所占的室容积：Vs=V/n；V为室容积，rn3；n为观众数。如表2.6-2。表2.6-2不同用途厅堂的每座容积推荐值用途V／n／m3音乐厅歌剧院多用途剧场、礼堂讲演厅、大教室电影院8～106～85～63～54（3）合理的体型设计①保证直达声能够到达每个听众②保证前次反射声的分布③防止产生回声及其它声学缺陷④采用适当的扩散处理，提高整个大厅的声场扩散程度，增加厅堂内声能分布的均匀性。（4）合理的的混响设计①最佳混响时间及其频率特性的确定不同使用要求的厅堂，有不同的混响时间的最佳值。这个最佳值又是厅堂容积的函数，即同样用途的厅堂，容积越大，最佳混响时间越长。推荐的最佳混响时间是通过对已有大厅的实测、统计归纳得到的。图2.6-3给出了一般常用的最佳混响时间的推荐值。图中，横坐标是厅堂的容积，纵坐标是中频500Hz的最佳混响时间。在得到500Hz的最佳混响时间值以后，还要以此为基准，根据使用要求，确定全频带上各个频率的混响时间，即混响时间的频率特性。图2.6-4是一般推荐的混响时间的频率特性曲线。横坐标是频率，纵坐标是与500Hz混响时间的比率。图2.6-3各种用途房间的最佳混响时间图2.6.-4最佳混响时间的频率特性音乐演出用厅堂应有较长的混响时间，同时希望低频比中频略长，在125Hz附近可以达到中频500Hz的1.2～1.5倍，这主要是考虑到使人们感觉到的低频声响度的衰减与中频大体接近。讲演、话剧等以语言为主的厅堂，混响时间应当较短，其频率特性应当从低频到高频保持平直，以保证厅内声音的清晰度。语言、音乐兼用的多功能厅堂，混响时间及其频率特性可根据情况取上述二者的折衷。在实际的声场中，由于空气对高频声有较强的吸收，特别是在大型厅堂中，很难使高频混响时间达到与中频一致。但由于人们已经习惯，除非有特殊原因，也不宜故意加长高频混响时间，以免产生不自然的感觉。②混响设计根据设计完成的体型，求出厅堂的容积V和内表面积S。根据厅堂的使用要求，选择最佳混响时间及其频率特性的设计值。选择吸声材料类型，并根据其吸声系数数据（或吸声量）及其应用面积（或吸声体数量）计算厅堂内总吸声量。再通过总吸声量、房间容积和空气吸收等参数，使用室内混响时间计算公式求得房间混响时间。常需反复选择、调整，才能达到目标值。以上计算一般在125Hz到4kHz的各个倍频带的中心频率上进行。各类建筑的音质设计（1）音乐厅音乐厅是为交响乐、室内乐、声乐等音乐演出用的专用大厅。它在建筑上与一般剧场的主要不同之处在于没有单独的舞台空间，不设乐池，演奏席与观众席在同一空间之中。演出大多靠自然声。音乐厅的规模视其用途有大有小，交响乐大厅的规模多在1200座到2000座之间。人们对音乐厅音质的要求是各类厅堂中最高的。实际上不同风格的音乐作品所要求的音质条件也不尽相同。音乐厅的音质设计大体上应当遵循以下原则：①大厅具有较长的混响时间以保证厅内声场有足够的丰满度。为此，必须有足够的每座容积，一般应在(8～10)m3左右，同时厅内尽量少用或不用吸声材料。在混响时间的频率特性上，应当使低频适当高于中频，以取得温暖感，因此需要注意薄墙板或天花板低频共振吸声造成低频混响不足问题。②充分利用近次反射声，使之均匀分布于观众席，以保证大多数座位有足够的响度和亲切感，特别注意增加侧向反射，使厅内有良好的围绕感。在古典的“鞋盒式”大厅，由于两侧墙是平行的，而且