建筑声学应用——室内音质设计

在前面的基础部分我们介绍了有关声学的基本知识，主要包括：4.1声音的基本性质4.2声音的计量4.3声音与人的听觉4.4语言声、音乐声及噪声特性4.5室内声学原理4.6吸声材料和吸声结构建筑声学应用篇7.1室内音质设计本节要点：1.室内音质评价标准及设计内容2.厅堂容积的确定3.厅堂的体形设计4.厅堂的混响时间设计5.厅堂的电声系统设计6.各类厅堂的音质设计室内音质设计是建筑声学设计的一项重要组成部分。在以听闻功能为主或有声学要求的建筑中，如音乐厅、剧场、电影院、会议厅、报告厅、多功能厅、审判厅、大教室、体育馆以及录音室、演播室等建筑，其音质设计的好坏往往是评价建筑设计优劣的决定性因素之一。室内最终是否具有良好的音质，不仅取决于声源本身和电声系统的性能，而且取决于室内良好的建筑声学环境。而室内良好的建声环境评价有主观评价标准及客观评价标准来两种评价方式。7.1.1室内音质评价标准及设计内容一、主观评价标准人们对不同声信号（语音或音乐）的主观要求有所差异，这些要求则统称为音质（或主观）评价标准。对于一个兼做语言和音乐使用的厅堂，其主观评价标准一般可归纳为以下四个方面。1．无声缺陷声缺陷是指一些干扰正常听闻使原声音失真的现象，如回声（颤动回声）、声聚焦、声影、过大的噪声等，厅堂常见的声缺陷如图所示。2．合适的响度响度是人感受到的声音的大小。音质的好坏首先要有足够的响度，让听众能听得见。对于自然声演奏的观演建筑来说，足够的响度是最基本的要求。3．较高的清晰度和明晰度语言声要求具有一定的清晰度，而音乐声则需达到期望的明晰度。音乐的明晰度具有两方面的含意：一是能够清楚地辨别出每一种声源的音色，二是能够听清每个音符，对于节奏较快的音乐也能感到其旋律分明。4．优美的音质对于音乐声来说，除了听得见、听得清这些基本要求外，室内音质设计还需要给听众提供听得舒服的环境。因此，为了让室内声音具有优美的音质，还需要注意以下两方面：（1）足够的丰满度。这一要求主要是对音乐声，对于语言则为次要的。丰满度的含意有：声音饱满、圆润，音色浑厚、温暖，余音悠扬、有弹性。总之，它可以定义为声源在室内发声与在露天发声相比较，在音质上的提高程度。（2）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）。二、客观技术指标1．声压级及声场不均匀度声压级是表达音量大小直接的客观指标。各个频率的声压级与该频率声音的响度相对应，一般语言和音乐都有较宽的频带范围，声音的响度级大体上与经过A特性计权的dB（A）声级相对应。无论是在自然声或电声演出的厅堂中，除了具有足够的声压级外，还应具有良好的声场均匀度，即在厅堂内各处声压级的差别应在允许的范围内，避免出现“死角”或“声聚焦”。在声场均匀的无楼座厅堂中，其声场不均匀度≤6dB。2、混响时间及频率特性混响时间的长短，频率特性是否平直，是衡量厅堂音质的最基本、重要的参数，也是设计阶段准确控制的指标。作用：直接对清晰度、丰满度、明亮度的等影响，混响时间适当，可保证各声部间平衡。评价：125~4000Hz6个倍频带。以500Hz为代表，大量的经主观评价认定为音质良好的观众厅，进行RT测定所得到的统计平均值作为标准。3、声脉冲响应分析（反射声的时间分布）早期反射声：在房间内，可与直达声共同产生所需音质效果的各反射声(50ms内所到达的反射声)。1）对响度的影响50ms以内的反射声起到加强直达声的作用，其数量越多，响度增大越明显。2）对清晰度的影响声学比越大，语言清晰度越高。混响长的厅堂，提高声学比。3）对丰满度的影响缺乏早期反射声，使直达声与混响声脱节，感觉声音断续、飘浮，声音干涩。使低频RT较中频RT长，保证30ms内早期反射声的数量，可增加声音的丰满度和温暖感。4）对亲切感的影响20ms左右的早期反射声的多少决定了亲切感。4、方向性扩散（反射声的空间分布）厅堂中指定位置各方向反射声的强度与数量。5、背景噪声A声级或是NR数。讨论：为什么混响时间相同的大厅音质可能不同？国家大剧院三、音质设计内容音质设计必须是声学工程师、建筑师、业主密切合作、相互协调。一个音质良好的大厅一定是集体合作的结晶。主要包括以下方面：1）选址、建筑总图设计和各房间的合理配置，目的是防止外界噪声和附属房间对主要听音房间的噪声干扰。2）在满足使用要求的前提下，确定经济合理的房间容积和每座容积。3）通过体形设计，充分利用有效声能，使反射声在时间和空间上合理分布，并防止声学缺陷。4）根据使用要求，确定合适的混响时间及频率特性，计算大厅吸声量，选择吸声材料与结构。5）根据房间情况及声源声功率大小计算室内声压级大小，并决定是否采用电声系统。6）确定室内允许噪声标准，计算室内背景声压级，确定采用哪些噪声控制措施。7）在大厅主体结构完工之后，室内声学装修中，进行声学测试，如有问题进行设计调整。8）工程完成后进行音质测量和评价。9）对于重要的厅堂，必要时应用计算机仿真及缩尺模型技术配合进行音质设计。10)对有扩声系统的厅堂，尚必须配合电声工程师进行扩声设计。思考题：室内音质的主观评价有哪些？在音质设计中用哪些方面来保证音质良好？本知识点要点：主要介绍了主观评价标准的四个方面：无声缺陷、合适的响度、较高的清晰度和明晰度及优美的音质。客观评价标准的四个方面：声压级及声场不均匀度、混响时间及其频率特性、反射声的时间分布、反射声的空间分布及允许噪声级。音质设计内容。室内音质设计中，在建筑方案设计初期首先应根据建筑功能和所容纳的人数来确定厅堂的容积值。厅堂容积的大小不仅影响到音质效果，而且也直接影响到建筑的艺术造型、结构体系、空调设备和经济造价等方面。因此，厅堂容积的确定必须加以综合考虑。7.1.2厅堂容积的确定问题：厅堂容积的影响因素？1）响度:体积大，声源不变的情况下，声能密度D小，则Lp较小。以电声为主（保证响度）——体积不受限制以自然声为主——体积受限制厅堂内景1、决定因素2）混响时间RT与V成正比，与A成反比。厅堂中，观众吸声量占所需总吸声量的1/2~2/3，故观众吸声量起很大的作用。控制好厅堂的容积V与观众人数的比例，就在相当程度上保证或控制了RT。音乐厅声学模型模拟对已判定为音质良好的厅堂大量统计分析所得到的结果。2、每座容积音乐厅示意米兰阿拉斯卡拉歌剧院歌剧院6~8m3/每座，音乐厅8~10m3/每座，讲演厅、大教室4m3/每座（推荐值）。礼堂大教室多用途剧场、礼堂5~6m3/每座，•3、确定V方法•功能——选每座容积•容量——观众数量在确定厅堂的容积后,如何确定厅堂的平剖面及内部构造呢?厅堂内景思考题：确定房间容积需考虑的因素有哪些？本知识点要点：主要介绍了厅堂容积确定的两个主要因素：足够的响度及合适的混响时间。厅堂的体形设计直接关系到直达声的分布、反射声的空间和时间构成以及是否有声缺陷，是音质设计中较为重要的环节。厅堂的体形设计包括合理选择大厅平、剖面的形式、尺寸和比例以及各部分表面（如顶棚、墙面）的具体尺寸、倾角和形式等一系列内容。因此合理的体形设计是获得良好室内音质的重要前提。人讲话水平面指向性特征图1、充分利用直达声——保证直达声可达到每个听众1）影响因素：a长距离的自然衰减-6dB/倍距离b遮挡和掠射吸收（30m有10~20dB的衰减）c偏离辐射主轴角度增大时，高频声明显减弱。7.1.3厅堂的体形设计2）措施：a控制大厅尺寸比例避免过长。使观众席位尽可能靠近声源，一般剧场长度30m，最大36m，音乐厅45m,设楼座；短而宽布置；夹角120°，极限140°。以语言为主的厅堂b.避免被遮挡和掠射吸收；地面应有一定的坡度。因为人耳与眼基本同高度，故按视线要求进行设计即可大致满足不被遮挡和掠射吸收。通常错位排列。厅堂地面起坡歌剧院内景2争取和控制好早期反射声A早期反射声的形成1）形成部位顶棚侧墙顶棚和侧墙2）分析方式将时差转换声程差进行判断50ms——17m30ms——10.2m20ms——6.8mS’SR1R2D检验回声：R1+R2-D17mA1S’A1=SA13）一般原则按厅堂首排座位与声源的距离——10m顶棚高度13m厅堂宽度26m（按17m声程差计算）超过此尺度，应加以特殊处理1）前部顶棚（台口附近）顶棚可向厅内绝大多数地方提供一次反射，故其高度与倾角十分重要原则：一次反射均匀的分布在大部分观众席。B.顶棚形状——剖面设计顶棚反射剧院剖面a.尽可能控制面光孔的面积。单排灯净空约0.7m,双排灯1.2m。剧院剖面b.利用好前部每块面积音箱桥下部音箱桥与面光孔间面积面光孔下底板剧院内装修c.过高顶棚可在舞台前悬吊反射板。舞台反射面及反射罩舞台反射罩原则：向观众席及侧墙扩散声能。形式：如折板式、锯齿式、扩散体式。2）后部顶棚厅堂后部顶棚C.侧墙处理——平面形式1）基本平面分类矩形、扇形、马蹄形演变：钟形、六角形侧墙反射示意侧墙反射身线设计示意2）平面形状的选择。原则：前次反射声的多少，声场分布均匀，特殊形状应作处理。a一般以钟形、矩形平面较多。b扇形平面，墙面与中轴夹角8~10°。c弧形墙面须做扩散或吸声处理。一个简单几何形平面，若不做特殊处理，视线最好的中前区将会缺乏一次侧向反射声。侧墙反射示意侧墙处理示意3、扩散设计三种方式达到声扩散的目的厅堂声扩散处理1）将厅堂内表面处理成不规则形状和设扩散体。2）体形设计中采用不规则平、剖面处理。3)吸声材料均匀布置1）将厅堂内表面处理成不规则形状和设扩散体。墙面声扩散处理厅堂声扩散处理2）体形设计中采用不规则平、剖面处理。厅堂声扩散处理3)吸声材料均匀布置厅堂吸声扩散处理4、消除声缺陷1）回声回声的产生a出现部位：舞台、乐池、观众席前部b产生部位：后墙相接的顶棚二次反射后墙一次反射楼座栏板二次反射c危害：干扰听闻、破坏音质d.措施：顶棚高度13m或吸声扩散。整楼座栏板倾角或吸声处理。后墙处理：吸声，吸声系数0.6的强吸声。倾角，调整向后部提供一次反射。扩散，不形成定向反射。消除回声处理措施a.出现部位：平行墙面间。b.产生条件：（a）声源与接收点同在平行墙面间。（b）墙面强反射。c.危害干扰听闻，破坏音质。d.措施(a)相对墙面夹角5°。(b)墙面扩散，吸声处理。2）颤动回声3）声聚焦a.出现部位：弧形墙面、壳形顶棚前的空间某位置。b.产生条件：曲率半径小，强反射。声聚焦示意c.危害：形成第二声源，严重干扰听闻。室内声场极不均匀。d.措施：避免使用弧形墙面。厅堂高度≥2R弧形墙面上扩散吸声处理声聚焦示意声聚焦处理实例4）声影a.出现部位：楼座挑台下方。b.产生条件：挑台过深。c.危害：堂座后区反射声被遮挡，响度不够，音质较差。ｄ.措施：取合适的楼座挑台高度与深度比厅内充分扩散声能。楼座挑台深度要求挑台进深与开口处理实例5）声学缺陷出现的一般规律a.建筑形体（平剖面）不当。b.室内特殊部位设计不当。c.短混响时间。思考题：观众厅由于体形处理不当有那些音质缺陷？如何消除？本知识点复习：1.充分利用直达声2.争取和控制好前次反射声3.扩散设计4.消除声缺陷如前所述，混响时间设计是体形设计外厅堂声学设计的另一项重要内容，厅堂混响时间的长短及其频率特性与室内音质的主观评价标准密切相关。因此，根据不同的功能要求，通过设计手段来确保合适的混响时间是室内音质设计的重要环节。7.1.4厅堂的混响时间设计一混响时间设计标准1.最佳混响时间1）定义：根据大量的、经主观评价认为是音质良好的观众厅进行RT测定，所得到的500Hz的RT的统计值。2）特点：不同使用功能，不同体积，最佳RT不同。3）确定方法：功能+容积===最佳RT（500Hz）4）实际偏差：允许偏差±0.1sec或控制在10%。讨论：从下图中总结出何种规律？各类用途厅堂的推荐最佳混响时间a—音乐厅；b—歌剧院；c—