剧场建筑声学基础.doc

剧场建筑声学基础一、室内声音的传播1. 反射与前次反射 声波在传播过程中，若遇到比它波长大的物体表面，便会产生反射。当反射面比声波的波长大很多时，反射规律与几何光学相似，即声线的反射角等于入射角。这时，我们可以用几何声学来研究反射的情况。图2是室内不同形状表面对声反射的三种情况，剧场结构再复杂，都不外乎归结为这三种反射情况。 图中，A、B、C分别为平面、凸曲面和凹曲面，S是声源。声音从S辐射后，若到达A面，则会形成平面反射，并产生一定程度的扩散 ；若到达B面，由于凸曲面而形成明显的散射。当声音到达C面时，C面是凹曲面，会产生声焦聚。如形状刚好合适，则会形成虚声源S，这样一来，会在S附近的区域集中大量声能，致使离它稍远一点的空间因为反射声不足而形成声低音区，造成大厅声能密度不均匀。我们应尽量避免这种局面出现。而A面与B面反射形成的扩散使室内声场分布趋于均匀，应是我们所希望的。但声焦聚并非一无所取，剧场观众厅后排往往声压不足，在后座区域造成一定程度的声焦聚可以均衡整个观众厅的声场。 图3是某音乐厅的剖面结构图，声音从台上辐射的情况一目了然，可以看出不同形状的反射板有着各不相同的服务区。 我们把听到直达声后50ms以内到达的反射声称为前次反射或早期反射。由于哈斯效应，前次反射声人耳不但分辨不出来，而且还会将它当作直达声的一部分，在主观效果上增加了声音的响度但又不会影响清晰度。这也是为什么在室内讲话时要比在室外讲话听起来声音响一些的缘故。 剧场与音乐厅的前次反射强弱程度是一个很重要的声学条件，18世纪在欧洲建造的一些古典音乐厅，以音质效果极佳而著称于世，曾使很多声学家和建筑学家感到迷惑。但后来的研究和工程实践表明，一些优秀的古典音乐厅，除了良好的声扩散与适度混响之外，很重要的原因是这些剧场或音乐厅的观众席有足够的前次反射，尤其是来自侧向和顶棚的前次反射声增加了室内声能密度，提高了音乐的空间感和丰满度。. 混响与最佳混响时间 混响是建筑声学中最重要的参数之一，适度的混响，可以明显的改善声音质量，改变音乐的音色和风格。 我们已经知道，室内的声波遇到四周墙面以及地面和顶棚会产生反射，而这种反射过程是往复多次的，从而延长了到达听者的时间。如果这些反射声在直达声到达听者50ms后仍多次反射而继续存在，直到一段时间后才衰减消失，听起来有一种余音不绝的感觉。这种过程与现象，我们称为混响，即交混回响之意。 那么，如何确定混响从建立到消失的时间呢？也就是说，如何确定混响时间呢？上个世纪初，声学家赛宾（W.C.Sabie）通过研究后提出：当声源停止发声后，残余的声能在室内往复反射，经吸收衰减，其声能密度下降为原来值的百万分之一所需要的时间，或者说，室内声能密度衰减60dB所需要的时间称为混响时间，其计算公式如下：式中，T为混响时间，单位为秒；V为房间容积，单位为立方米；a是房间内所有表面材料的平均吸声系数；S是室内总表面积，单位是平方米；4m为空气的声能衰减系数，它与声音频率，相对湿度都有关系。表列出常温下(200C)空气的衰减系数。材料的吸声系数a我们将在后面部分介绍。 混响时间的实测值与计算值会有一定的差值。一般来说，低频混响时间的实测值小于计算值，高频混响时间的实测值大于计算值。在实际计算时应根据经验作一些修正。 混响时间对声学品质的影响是众所周知的，过长过短都会使观众感到疲劳。只有适当的混响时间，才会使观众处于一种赏心悦目的艺术享受之中，此时声音丰满动听，音符生动活跃、语言亲切温柔，使观众有强烈的空间感和丰富的色彩感。那么，多长的混响时间才是最佳的呢？ 事实上，很难确认一个统一的最佳混响时间标准，没有一个确定的数据，很大程度上是个范围值。不同类型，不同风格，不同专业用途的剧场都有不同要求。而且，它还受民族文化背景的影响。因此，各国发表的数据都不尽相同。表5给出各类不同演出时的混响时间要求，均以500Hz中频的混响时间为代表。图4是最佳混响时间与频率特性曲线。这条曲线是由于对厅堂音质的主观评价而作出的，评价表明，低频段混响时间稍长有利于音乐的丰满度和语言的温暖感，适宜于各类音乐演出，而高频段混响时间长一点，则容易表现泛音，增加音乐“水分”与鲜活感。所以这条曲线是一条两头翘起的马鞍型曲线。不同频率的不同混响决定了剧场的音色特性。在硬质装饰材料的环境中，高频混响时间长，音色冷艳，音色效果能模仿出山洞，水泥大厅，大理石宫殿等。而软质装饰材料的低频混响突出，音色偏暖，有着古典音乐厅与歌剧院的特色。3. 声能比和等效混响混响在主观感觉上还与一个物理量有关：等效混响。在一个理想的室内环境中，某一点的声能密度应为直达声能密度与混响声能密度之和，用数学式表示即为：E总E直E混我们将混响声能密度E混与直达声能密度E直之比，称为该点的声能比：REE混E直RE值表示在房间某一点混响声所占的比例。显然，RE值却很小，这一结果引起的主观效应，是缩短了混响时间。这种因主观效应引起缩短了的混响时间，称为等效混响时间。它发生在声能比很小的区域，离声源越近，器件的指向性越强，这种效应就越明显。反之，在声场范围内离声源越远，混响效果越明显，就越接近于实际测定值。因此，我们在观众厅后排远听具有很好混响效果的剧场，一旦贴近声源，便感到混响不够甚至消失了。这种情况，可以用掩蔽效应解释。等效混响时间的存在，要求我们在舞台扩音与录音时要充分考虑其影响，因此，我们建议，对大型乐队、歌剧的舞台扩音或录音应采用整体式远场拾音，不宜采用多点式近场拾音，传声器的指向性不可太锐，以充分拾取到剧场空间自然混响声，使音乐更趋于丰满、自然。4. 回声回声与混响是有区别的。混响在英文中是Reverberation，是指声音经过多次往复漫反射，包含多个不同角度、不同时间到达的混合反射声逐渐衰减形成，听者分辨不出其中的任何音节。而回声是一种单一固定的反射声，它的强度和时差都大到足以和直达声区别开，并能分辨出音节。回声的英文名称是Echo。一定的混响对音质有利，而回声则只能破坏音质，应绝对避免。消除回声的方法是进行声扩散处理。5. 声音的扩散近年来，厅堂室内音质方面的研究工作表明，混响时间并不是音质评价的唯一标准。大小相近，混响时间也接近的房间，音质很可能不同。因此，开展了表述房间音质的第二评价标准研究，提出了许多表述房间声扩散量的建议。但因分析复杂、计算繁琐，本文不便阐述，在这里只讨论扩散的一般原理及其对剧场音质的影响。所谓扩散，是声音朝着许多方向不规则反射、折射和衍射的现象。扩散使室内声场均匀。我们可以举个扩散的形象比喻：迪斯科舞厅的多棱镜面反射球就是一个光扩散的良好例子。由于敷设在球面上的许多镜片朝各个方向反射光线，而使光斑扩散到四周。同样，房间的各种家具也有不同的反射面，对射入房间的光线起扩散作用而使整个房间亮度分布均匀。声音亦如此，厅内的座椅、不平整的墙面装饰、圆柱、挑台立面、栏杆等等物体表面使声音朝各个方向扩散，使声场均匀。理想的扩散应满足下面三个条件：(1) 空间各点声能密度均匀；(2) 在任何一点上，从各个方向传来的声强相同；(3) 在各个方向传播的声波相位是无规律的，因而各个方向的声能可以直接相加。要获得这样一个理想的扩散声场是不可能的，也没有必要。因为这样一个均匀的声场中，听者无从辨别声源来自何方，失去了声源的方位感。但如果使室内保持一定程度的声扩散，将是我们希望的。因为它可以改善室内声场分布，缩短前后排的声级差，调整清晰度与丰满度的平衡，消除回声，抑制声反馈。总之，扩散对改善厅堂音质十分有利。为使剧场获得一定的声音扩散效果，可在剧场的顶棚、侧墙与后墙的表面设立不同几何形状的声扩散体，如圆柱形、三角形、半球形、多面体、棱锥形等。也有制成极具艺术装饰效果的立体浮雕图案形式。常见的声扩散体形状如图5所示，其中由于三角形和半圆柱体构造简单，扩散效果良好而被广泛地应用在声学工程实践中。这两种扩散体的扩散效果与它的尺寸和配置有关。图6是声波从450角投射至扩散体中心时所测到的声音扩散效果，可以看出圆柱体略优于三角形体，而中、高频优于低频。设计与配置声扩散体时，应注意的是 ：(1) 扩散体不能同时是吸声体。(2) 扩散体的材质应尽量采用比重大而具有一定刚度的材料，如混凝土、抹灰砖石体、大理石、花岗石等。(3) 如用木材则宜采用实心硬木。如柚木、橡木、花梨木或硬木表面加贴多层组合板。而切忌用三合板、五合板等薄板制成空心体，这样会形成对低频的强吸收。(4) 尽可能避免用石膏浇铸扩散体，虽然制作成本很低，但它会产生金属声染色，对音色不利。(5) 扩散体各个扩散面的几何尺寸必须足以与声波波长相比，才有良好的扩散效果。以上原则同样适用于其他听音室。根据反射原理，一旦扩散体尺寸一定，室内声波的扩散程度随频率上升而递增。因此，在进行声扩散设计时，应注意采用大尺寸的扩散体，以增加对低音的扩散能力。图7是奥地利某音乐厅的内部建筑结构，可以看到二楼后座的半圆柱形扩散体群。表4 空气的声能衰减系数4m值频率 室内相对湿度（）（Hz） 30 40 50 601000 0.004 0.004 0.0035 0.0032000 0.012 0.010 0.010 0.0094000 0.013 0.029 0.024 0.0226300 0.084 0.092 0.050 0.0438000 0.120 0.096 0.088 0.086表5 各类演出的最佳混响时间艺术类别 最佳混响时间古典音乐、大型交响音乐、室内管弦乐、歌剧 1.83秒轻音乐、民乐、钢琴、弦乐四重奏、协奏曲、戏剧（京剧、地方戏剧） 1.01.8秒现代流行音乐、个人演唱会、轻音乐 0.81.0秒话剧、曲艺、小品、演讲 0.61.2秒表6 常用建材及室内用具的吸声系数125 250 500 1000 2000 4000砖墙、抹光、涂漆 0.01 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03厚地毯，铺在水泥地上 0.20 0.06 0.14 0.37 0.60 0.65混凝土墙、粗糙 0.36 0.44 0.31 0.29 0.39 0.25混凝土墙，涂漆 0.10 0.05 0.06 0.07 0.09 0.08丝绒0.30kg/m2，直接挂在墙上 0.03 0.04 0.11 0.17 0.24 0.35丝绒0.43kg/m2，折叠面积一半 0.07 0.31 0.49 0.75 0.70 0.60丝绒0.56kg/m2，折叠面积一半 0.14 0.35 0.49 0.75 0.70 0.60木地板 0.15 0.11 0.10 0.07 0.06 0.07水泥地板 0.01 0.01 0.015 0.02 0.02 0.02普通玻璃（厚3mm4mm） 0.35 0.25 0.18 0.12 0.07 0.04石膏板, 龙骨50100mm, 中心距40cm 0.29 0.10 0.05 0.04 0.07 0.09开口的舞台（与设备有关） 0.25 0.30 0.40 0.50 0.65 0.75很深的包厢 0.50 0.55 0.65 0.70 0.80 1.00通风口 0.15 0.22 0.30 0.40 0.45 0.50大理石或抛光板 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02胶合板（9mm厚） 0.28 0.22 0.17 0.09 0.10 0.11玻璃纤维（厚5cm) 0.15 0.38 0.81 0.83 0.79 0.74超细玻璃纤维（厚5cm) 0.25 0.41 0.82 0.83 0.89 -矿渣棉（厚6.0cm） 0.25 0.55 0.79 0.75 0.88 -石棉（厚2.5cm) 0.06 0.35 0.50 0.46 0.52 0.65甘蔗板（厚1.3cm) 0.12 0.19 0.28 0.54 0.49 0.70木丝板（厚3cm) 0.05 0.07 0.15 0.56 0.90 -麻纤维板（厚2cm) 0.09 0.11 0.16 0.22 0.28 -玻璃棉板（厚5cm) 0.06 0.17 0.48 0.81 0.95 0.90石棉板（厚0.8cm) 0.02 0.03 0.05 0.06 0.11 0.28青软木板（厚3.5cm) 0.05 0.06 0.29 0.35 0.34 0.50工业毛毡（厚2.0cm) 0.07 0.26 0.42 0.40 0.55 0.56沥青玻璃棉毡（厚3.0cm) 0.11 0.13 0.26 0.46 0.75 0.88超细玻璃棉毡（厚4.0cm) 0.08 0.24 0.89 0.69 0.77 -沥青矿棉毡（厚3.0cm) 0.08 0.18 0.50 0.68 0.81 0.89泡沫玻璃（厚4.0cm) 0.11 0.27 0.35 0.31 0.43 -树脂棉板（厚5.0cm) 0.06 0.17 0.48 0.81 - -硬聚氯乙烯泡沫塑料板(厚2.5cm) 0.04 0.04 0.17 0.56 0.28 0.58酚醛泡沫塑料（厚2.0cm) 0.08 0.15 0.30 0.52 0.56 0.60聚胺甲酸脂泡沫塑料（厚2.0cm) 0.11 0.13 0.27 0.69 0.98 0.79微孔聚脂泡沫塑料（厚4.0cm) 0.10 0.14 0.26 0.50 0.82 0.77粗孔聚脂泡沫塑料（厚4.0cm) 0.06 0.10 0.20 0.59 0.68 0.85聚氯乙烯塑料（厚0.41cm) 0.03 0.02 0.06 0.29 0.13 0.13尿荃米波罗（厚3.0cm) 0.10 0.17 0.45 0.67 0.65 0.85微孔吸声砖（厚9.5cm) 0.41 0.75 0.66 0.76 0.81 -泡沫石膏（厚2.5cm) 0.06 0.18 0.50 0.70 0.55 0.50表7 听众与座椅的吸声系数125 250 500 1000 2000 4000 6000木椅上听众，2人/m2 0.24 0.40 0.78 0.98 0.96 0.87 0.80木椅上听众，1人/m2 0.16 0.24 0.56 0.69 0.81 0.78 0.75软椅上听众，0.90.55m2 0.55 0.86 0.83 0.87 0.90 0.87 0.80空的软椅，0.90.55m2 0.44 0.56 0.67 0.74 0.83 0.87 0.806. 房间的共振与驻波任何房间都有自己固有的共振频率。声源中的某些频率与房间处于共振状态时，该频率点及附近的声压将大大加强，而其他频率的声音则因能量不够而声压减小，造成房间在频率特性上劣化。而当房间的三维尺寸为整数比且至少有两个反射墙面互相平行时，其中一些合适的频率由于来回反射产生同类波形的干涉效应而生成驻波，使声场中某些区域落在驻波的节点(1/4和3/4处)，声压为零 ；而另一些区域落在驻波的波腹处（1/2处），声压最大，造成室内声场的能量分配严重失衡。这两种情况对室内声学品质的影响都是比较严重的，应尽力避免。根据共振原理，改变厅堂的三维尺寸可以改变厅堂的固有振动频率。然而我们常遇到的情况是大厅尺寸已经固定，而共振点又刚好落在音乐频带之内。这时，只有最大限度吸收共振点附近的声能，同时在电声系统中利用均衡器衰减共振峰，才能在一定程度上消除其影响。所幸的是，现代剧场和音乐厅都很难产生驻波或简振，原因是当今的设计师们鉴于前人的经验已考虑到了此类问题，在设计时一反传统的“鞋盒”型设计，采用了新型的建筑结构和造型，其中一个措施是现代音乐厅和剧场不再有互相平行的反射面。当今许多剧院，音乐厅都采用圆形、椭圆形、扇形甚至蛋壳形的建筑结构。为防止声聚焦，其顶棚和四周反射面均采用齿形梯级扩散结构，而观众席也采用由前排到后排逐步升高的坡形阶梯构造。这些新型的建筑结构造型最大限度地破坏了驻波产生的条件。图8为广西南宁民族艺术宫音乐厅的平面图和纵剖面图。可知此类结构的剧院根本不用考虑驻波的问题。三、剧场的声学处理如果剧院建成后发现有声学缺陷，则要进行声学处理以进行修正和弥补，其主要措施是进行吸声、扩散和反射，以改变其声学参数。1. 吸声处理所谓吸声，是声波在传播中与媒质进行能量交换的物理过程，即声能转换成媒质的热能而被消耗。任何材料都有一定的吸声能力，材料的吸声量不仅与它的物理性能和结构有关，而且与声波的频率有关。我国目前成型生产和使用的吸声材料主要有多孔吸声材料、共振吸声材料、穿孔板组合吸声材料和成型天花板吸声材料，其吸收频率特性可参看厂家说明书。除此之外，各种丝绒帘幕、软垫座椅、地毯、玻璃门窗、薄板构件以及各种洞口空腔等都有较大的吸声性能。要指出的是，展开的薄绸和尼龙窗帘对声音没有什么影响，就像音箱前面加的网罩，取下或盖上对声音的影响是极轻微的。即使较厚的丝绒幕帘，也要将它们处理成折皱悬挂才有较好的吸音效果。表6与表7（见上期）分别为剧场听众座席和常用的41种建材与室内用具的吸声系数。该表采用国际通用数据，但材料的吸声系数与成型工艺、安装方法及测试条件有关，故仅供参考。吸声材料的合理布局是很重要的。一般而言，吸声处理应遵守以下原则 ： 非不得已，不要随意作吸声处理。 如一定要采取吸声措施，则不可过量，适可而止。 事先对剧院做一次声学测量，测出其大致混响时间。如无条件直接测量，可根据剧场现有的各类材料的吸声面积测出，再查表求出平均吸声系数算出混响时间。此外，观众厅的混响时间还可根据经验在空场时用拍手掌的方法判断其长短，然后根据测试的结果决定是否作吸声处理。 放音乐时若缺少温柔感，声音够大但过于清亮单薄，则是高音反射过强，应适当铺设高频吸声材料 ；反之，若声音低沉，语言齿音不清，整个大厅在低音段轰轰隆隆，则是低频混响过长而高音反射不足，应铺设低音吸声材料如薄板共振体等。 若出现低频共振峰，可安装共振箱或多格穿孔共振腔来吸收共振峰，其结构和计算式如图9所示。这种共振吸收体实际上是物理学中的赫姆霍兹谐振腔，利用其固有的共振频率来消耗吸收该频率点的声能，安装时可将其做成薄型箱体埋于墙内，并用装饰材料隐蔽起来。吸收频率较低时因容积大可做成独立的共振箱，吸收频率高时可做成多格式，但每格的容积单独计算，同一容积的腔体越多，对同一频率的声音吸收量越大。这种共振腔可有效吸收20Hz200Hz的共振峰。 后面加有龙骨钉成的薄板大面积铺设和大面积落地玻璃窗可吸收低音。其原理与赫姆霍兹共振腔相似。因此，除非必需，剧场应避免大面积的三合板、五合板装修铺设，也应避免大面积玻璃门窗，以免损失低频能量。 低频在空气中衰减慢而传播远，中高频在空气中衰减快而传播近。因此，一般情况下应增加后座的中高频反射量，在顶棚设置反射板，使剧场在整体上保持平直的频率特性。 有的剧场前排声压反而不足，这是因为前台口两侧的耳光室、上方的灯光槽、下方的乐池口以及整个舞台表演区由于各种帷幕、灯架、景片等形成大面积吸声区耗掉大量声能，加之前排可能正好落入扬声器箱的辐射死区，因此声能明显不足。所以观众厅的前厅应不设吸声材料，以增加该位置的前次反射。如这样处理后仍觉声压不够，可在乐池前的观众厅护栏前加装一组扬声器，经延时后送入前排，提高前排响度。 观众厅在满座与空场时的频响特性有很大差异，有的剧场满场时高音明显不足，声音沉闷短促。所以过去电影院的电声扩大系统和电影录音都对高音预加重，以弥补重放时的高音不足。为保持剧院和音乐厅在观众满座和观众稀少时声学参数不致大起大落，应在观众座椅上做足功夫，即让座椅的吸声特性与观众的吸声特性接近。解决办法是在椅靠和翻垫的里层粘贴软皮革面，使空席时坐垫翻下后的吸声特性与观众的吸声特性相近，这样，剧场无论满座与否，均能保持大致相同的声学特性。 剧场的声学处理应与电声系统的声学校正相配合互补使用。2. 剧场声学参数的调整现代剧场和音乐厅由于投资大，建设周期长，豪华舒适程度高，因此建成后不可能只服务于单一类型的音乐。为使剧院和音乐厅提高使用率，取得一定经济效益，必然要求他们有较宽的适应性。因此，在市场经济推动下，多功能剧院和音乐厅已成为今后发展的趋势。所谓“多功能”，即指在同一剧院能适应不同类型、不同风格的文艺演出，能满足多种作品不同功能的要求。这样，在国内外出现了一批可调声学参数的剧院。这里的声学参数可调，主要是指混响时间的可调。混响时间可调的幅度，应视其所包容的作品内容而定，如 ： 要适应演奏多种交响乐作品的音乐厅，厅内可调混响的范围为1.5s2.0s（0.5s的可调幅度) ； 要适应演奏各种音乐作品，包括轻音乐、民乐、独奏、独唱、重奏及古典交响乐，厅内可调混响范围为1.0s2.0s（1.0s的可调幅度) ； 要适应包括歌剧、舞剧、戏剧、小品、曲艺、流行音乐，甚至放映立体声电影、讲演、作报告在内的全部作品的剧院，厅内可调混响范围应在0.8s2.8s（2.0s的可调幅度)。当然，以上混响时间的调整，还可以配合音响电声系统的辅助措施来扩展功能，力求完美的演出效果。而可调混响时间所用的技术手段，目前多数是采用改变厅内的吸声与反射量，从而调节厅内混响时间。不过此法可调节幅度不大，一般不超出1秒的变化幅度。如要追求更大的调整幅度，适合演出所有类型的作品，则要考虑使用混响室。但混响室占据空间大，投资大，音质尚有争议以及使用率不高等原因，只有少数音乐厅使用，在我国尚无此类装置的剧院。在实际使用中，如配合电声系统，厅内混响时间在0.8s1.8s内可调，基本上可以满足各类型音乐节目演出。压缩混响时间的可调幅度，可节省投资成本。在具体的技术实施中，剧院的声学参数可调方式都是在观众厅或演奏厅上方设置具有不同吸声量的活动装置，通过各种控制技术，改变它们在厅内暴露状况达到调节参数的目的。它包括多种形式，常用的有帷幕可调、翻板可调、百页可调、旋转（柱）可调、升降构件可调、盒式空腔可调等等，图10即为各种可调装置的结构示意图。其中升降可调构件并非一定是吸声体，也可以是平面或曲面反射板或软幔。在操控方式中，简单小型的装置多用人工操作，如百页、帘幕等，而大型升降构件、旋转群体，均采用电控机械操控。更高级的则采用计算机程控，调控人员按预先编制的可调秒数及其他参数输入计算机，精确地根据不同功能的声学要求，演出次序、演出时间实施调控。在国内，1998年投入使用的广州星海音乐厅室内乐厅，就是采用计算机程控技术调控参数的。图11为加拿大基奇纳市滑铁卢交响乐团音乐厅剖面图，可以清楚地看出厅内活动式吸声墙幔，可升降的音响反射板以及可调控的混响室。四、剧场音质的评价1. 剧场音质评价的必要性剧场音质评价除了给一个剧场的听音质量与演出效果一个级别的评判外，更重要的，是在完工验收时施工单位根据评判的结果对某些不足项目进行修正和补偿。当实在无法从建筑技术来弥补声学缺陷时，也可给表演者和电声技师一个可供参考的依据，使其在实际舞台演出时有针对性地进行电声或其他方式的校正。因此，剧场音质的评价