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建筑声学中的音质设计


建筑声学中的音质设计

      作为听音场所,歌剧院、音乐厅、戏剧院等厅堂建筑的听音质量是第一重要的,因此必须认真做好建筑声学设计,确保其音质。这些建筑物往往投资巨大,动辄数亿乃至数十亿元,若音质不佳,就会造成资源和经费的极大浪费。1962年,美国林肯中心音乐厅建成时,就是因为音质欠佳,结果推倒重建,直至音质满意为止。这是厅堂建筑史上一个著名的例子。欧美发达国家在进行厅堂建筑设计时,均要由建筑师、声学顾问和剧场顾问组成联合设计组,从项目立项开始就一道工作,直至项目完工。这是国外厅堂建筑之所以音质品质高质量的重要保证。因此,只有明了建筑声学设计的程序和工作内容,学习国际先进经验和惯常做法,方能保证我国的厅堂建筑具有良好的音质。
      处理建筑室内音质一方面首先要了解室内空间体型、所选用的材料对声场的影响。还要考虑室内声场声学参数与主观听闻效果的关系,即音质的主观评价。可以说确定室内音质的好坏,最终还在于听众的主观感受。由于听众的个人感受和鉴赏力的不同,在主观评价方面的非一致性是这门学科的特点之一;因此,建筑声学测量作为研究、探索声学参数与听众主观感觉的相关性,以及室内声信号主观感觉与室内音质标准相互关系的手段,也是室内声学的一个重要内容。
      在大型厅堂建筑中,往往采用电声设备以增强自然声和提高直达声的均匀程度,还可以在电路中采用人工延迟、人工混响等措施以提高音质效果。室内扩声是大型厅堂音质设计必不可少的一个方面,因此,现代扩声技术已成为室内声学的一个组成部分。即使有良好的室内音质设计,如果受到噪声的严重干扰,也将难以获得良好的室内听闻条件。为了保证建筑物的使用功能,保证人们正常生活和工作条件,也必须减弱噪声的影响。因此,控制建筑环境噪声,保证建筑物内部达到一定的安静标准,是建筑声学的另一个重要方面。
由于室内声学同建筑空间的体积、形状和室内表面处理都有密切关系,因此室内声学设计必须从建筑的观点确定方案。取得良好的声学功能和建筑艺术的高度统一的效果,这是科学家和建筑师进行合作的共同目标。改善建筑物的声环境,必须加强基础研究、技术措施和组织管理措施,虽然重点应放在声源上,但是改变声源往往较为困难甚至不可能,因此要更多地注意传播途径和接收条件。各种控制技术都涉及经济问题,因此必须同有关的各种专业合作进行综合研究,以获得最佳的技术效果和经济效益。
      音质设计通常包括下述工作内容:
一、确定厅堂体型及体量。为看得清楚、听得清晰,各类厅堂都有个长度的限制。厅堂的宽度会涉及到早期侧向反射声的组织,与音质的空间感有重要关联。厅堂的高度不仅影响竖向早期反射声的组织,而且影响早后期声能比和混响声能的大小及方向。厅堂的体积和每座容积都直接影响混响时间等音质参数。厅堂的体型更是关系到是否存在回声、颤动回声、声聚焦、声影区等音质缺陷。所有这些,都必须在初步方案设计阶段就提供建筑声学的专业意见。
二、确定音质设计指标及其优选值。根据厅堂的使用功能选择混响时间、明晰度、强度指数、侧向能量因子、双耳互相关系数等音质评价指标,并确定各指标的优选值,是音质设计的重要任务。这些指标及其优选值的选定,将为进一步进行音质参量计算和将来竣工后的音质测试提供目标和依据。
三、对乐池、乐台、包厢、楼座及厅堂各界面进行声学设计。厅堂的平面及各界面的形状、面积、倾角等以及乐池、乐台、包厢、楼座、音乐罩、反射板等都影响声脉冲响应的结构,从而对厅堂音质产生重要影响。因此,是否设楼座、包厢,设几层楼座、包厢,楼座和包厢的深度及开敞度多少为合适,栏板的面积与倾角多大较恰当等等,都属于建筑声学设计的范畴,都需由建筑师与声学顾问共同磋商,加以确定。乐池的形状和开口大小也直接影响乐队声能的输送以及乐队与演员的相互听闻。此外,是否设音乐罩或反射板,设何种形式的音乐罩和反射板等等,也都需要从建筑声学专业的角度提供咨询意见,并给出设计方案。
四、计算厅堂音质参量。当厅堂的平、剖面及楼座、包厢、乐池、乐台等设计方案拟定以后,就可开始计算厅堂音质参量。通过音质参量的计算,提供设计反馈信息,以便对设计方案作出必要的修改与调整。这个过程有时需要反复进行多次,以便臻于至善。在此过程中,需要辅以平剖面声线分析、三维声场计算机仿真乃至缩尺模型试验等技术手段,才能做出较准确的预计。
五、进行声学构造设计。厅堂音质除了受前述建筑因素影响之外,还与室内装修材料与构造密切相关。因此,声学顾问还需与装修设计师密切配合,共同完成室内装修设计。声学装修构造设计通常包括各界面材料的选择和绘制构造设计图,需详细规定材料的面密度、表观密度、厚度、穿孔率、孔径、孔距、背后空气层厚度以及龙骨的间距等技术参数。
六、声场计算机仿真。对厅堂建筑进行仔细的声场分析和音质参量计算,有赖于声场三维计算机仿真。从这一点意义上讲,要进行成功的现代厅堂音质设计已离不开计算机仿真的辅助。
七、缩尺模型试验。对于重要的厅堂,除了计算机仿真外,通常还须建立一定缩尺比的厅堂模型,进行缩尺模型声学试验。缩尺模型试验优于计算机仿真之处,在于唯有它能对室内声波动效应做出仿真,而前者仅能在中、高频段,在几何声学的范围内提供较准确的仿真结果。此外,计算机仿真从本质上说是将声学家已知的声学原理输入计算机中,而缩尺模型则可较客观地展示厅堂中发生的实际声物理现象。目前,华南理工大学建筑声学实验室正在负责对在建的广州歌剧院作1∶20的声学缩尺模型试验,以确保该剧院建成后的高水准音质。
八、可听化主观评价。对于重要的厅堂,必要时还可在计算机仿真和缩尺模型试验基础上,应用先进的可听化技术进行主观听音评价。可听化技术是通过仿真计算,或者通过模型试验测量获得双耳脉冲响应,将之与在消声室中录制的音乐或语言“干信号”卷积,输出已加入厅堂影响的声音信号,供受试者预先聆听建成后的厅堂音质效果。这是近年发展起来的建筑声学领域一项高新技术。
九、建筑声学测量。建筑声学测量包括噪声与振动测量,围护构造隔声测量,重要材料与构造的吸声量测量以及厅堂音质参量的测量等。厅堂音质参量测量除了在工程竣工之后进行,以验证声学设计是否达标外,有时还需要在厅堂建筑主体完工,进入内部装修阶段时进行,以便为施工的最后阶段进行必要的设计修改与调整提供科学数据。
十、对电声系统设计提供咨询意见。对于需要安装电声系统的厅堂,建筑声学专家尚需与音响工程师配合,对电声系统的设备选型、设计与安装提供咨询意见。
十一、组织主观评价。对于重要厅堂,在工程落成后,组织专门的演出和主观评价,来检验建成后厅堂的音质效果,是建筑声学设计最后一个重要环节。为了做好主观评价工作,必须仔细选择节目、演员、乐队以及参与主观评价的人员,才能获得较客观、满意的主观评价结果,对厅堂音质作出鉴定。