音质设计中需要澄清的几个问题【建筑声学设计】
1 吸收、反射和扩散必须综合地考虑
自上世纪末建筑声学奠基人赛宾提出混响时间计算公式以来，因其简明地表达了与大厅容积和室内总吸声量的关系，并与主观听音评价密切相关，而成为音质设计中重要参量，一直沿用迄今。此计算公式是以假定声场充分扩散为前提的，当然在实际工程中达不到这一条件，也是计算与实际间出现误差的原因之一。
大量实践结果证明，在非理想扩散声场条件下，单以混响时间这一参量来评价音质是不够的。在探索第二音质参量过程中，发现混响衰变过程中的反射声(尤其是早期部分)结构细节，即反射声序列的时间、强度、数量乃至方向的组合不同，其音质效果也会有很大出入。这就联系到房间形体、室内吸声和反射面的布置、以及声源和接收点的在室内所处位置和它们附近的声学条件等，成为设计中必须考虑的因素。
在研究早期反射声结构细节中，有两个重大进展。一是认识到掌握早期反射声能与整个(或后期)反射声能之比值是制约语言清晰度和音乐明晰度的重要参量。其二是，在音乐厅(不是所有各类厅堂)设计中，为了获得富有环绕感的音质气氛，呈现出大乐队所特有的宽阔声源场面，更希望这些早期反射声有相当部分来自侧向。于是大厅形体的重要性在音质设计中愈加凸显，推动了音质设计中的多参量化考虑。
上述音质设计方法的逐步完善是建立在综合考虑基础上的，是相互补充的，因此既非对立，又非替代。早在建筑声学初步形成系统科学的20年代末 Knudsen[7]提出决定厅堂语言清晰度的四个因子中，就有大厅形状的因子。虽然对厅堂形状的具体要求在当时还不甚清楚。随着研究不断深入，普遍认识到扩散的重要性，要使反射声，特别是早期反射声序列有一定要求时，也极少有人否定混响时间，仍是决定室内音质的重要参量之一。那种把吸收、反射和扩散综合考虑的音质评价研究不断深入，以及设计方法的逐步完善过程，机械地划分为“第一代吸收型、第二、三代反射型、第四代扩散型”等几个阶段的设计方法显然不符合实际情况，也缺乏科学的根据。而且在所谓的当前音质设计新趋势“扩散型”设计方法中，把房间高度的确定提高到设计中首要地位来考虑，更令人莫名。
2 扩散处理
以统计声学理论推导混响时间公式时需要有扩散声场的条件，理论上“扩散场”应满足两个条件：能量密度均匀和声能量流在各个传播方向上是无规则分布的。当一个短促的声音(实际声源都不是稳态的)在室内发出经多次界面反射以后逐渐衰变，并形成为交混回响，又称混响过程，在室内没有大面积强吸声面的情况下，这时的声场接近扩散声场条件。但在混响过程的初始阶段，反射声数量有限，其扩散过程远不如后期。同时，在实际大厅中都有集中在听众席的大片吸声面，所以不可能有理论上的“扩散声场”。
为使厅堂具有良好听音条件所需的声场扩散，给听众沉浸于音乐包围之中的感受，对于声音的衰变过程应趋于均匀滑顺，使音质听来有圆润之感。现在的研究和实践表明，要达到好的音乐听感，早期反射声能量和方向具有关键性作用。这一要求显然不同于理论上的“扩散声场”条件。实际上在一个“充分扩散”的声场中，好比在“混响室”中欣赏音乐，听众将会不辨声源的方向，也不会有好的音质。
如何掌握早期侧向反射声的分寸，目前还处于半定量阶段。在设计方法上，主要利用界面，特别是侧墙的特定形状来改善，努力使听众席，尤其是前中座有较丰富的早期侧向反射声。这对于横向尺寸甚大的厅堂，将有更大的难度。而简单地认为“音乐厅的高度为18～22 m，剧院的高度为10 m左右时，才能使声音有良好的扩散”，甚至搬出黄金律来，这是没有依据的。
该论说中还强调指出：“应在室内多采用一些硬质装饰材料，如油漆粉刷、瓷砖、大理石和花岗石，可以对室内声场扩散有好处。”其实在普通教科书中就已指明，扩散主要与反射表面的形状有关，与表面硬质与否无关。而且硬质表面如瓷砖和大理石，只会引起由于高频声的强反射而使声音听来刺耳，犹如光学上的“眩光”那样讨厌。故大面积使用这种材料乃是音质设计中的大忌，千万慎用。
3 房间尺度比例与黄金律
房间的尺度和比例与室内音质是有一定关系的，但并不像有人对此提出的一些观点那样的关系[4][5][6]。
大家知道，早在三、四十年代，一些声学家根据房间简正振动方式分布与室内音质关系的研究，就指出大厅尺度比例的重要性。如果长、宽和高三个尺度的比例控制在1∶∶左右，或其它不成简单整数比的特定比例时，其简正振动频率大致上可达到均匀分布，避免因简并而带来之“染色”现象。这种考虑对于容积约1000 m3以下的房间，尤其是没有听众席的录音室才是重要的。但是如容积再大，即使有简并的简正频率出现，也处于对听觉很不敏锐的极低频率范围，不会构成严重音质缺陷。所以对容座数百以上的观众厅来说，控制其它设计内容如容积和形体将比大厅尺度比例更为重要得多。
该论说中试图把黄金律与大厅音质相关联，而且提高到具有“深刻性、普遍性和永恒的意义”高度来介绍也是欠妥的。分析一下引自该论说中的几个例子，便可说明。例如那些按所谓“黄金律”为依据，推荐出容积与总表面积之比(V／S)的值，可以是1.5～1.6，也可以是3.7～3.8。这样大的任意性，又和规律如“金”的严格要求有什么相干呢！再说，大厅的尺度比例如按该论说中，据“黄金律”与“扩散理论”提出的音乐厅高度推荐值为18～22 m，这样算下来厅的宽度当为29～40 m，长度当为48～68 m！显然不切实际。 中国大百科全书建筑卷的《关于建筑形式美法则》条目［8］中，对于黄金分割曾有确切的介绍。其中提到前人把比例和谐限制在非常严格的数字关系(0.618，即要求精确到小数点三位数)之说，不过是构图学中研究美学的一个学派，而且这些“传统的构图原理一般只限于从形式本身探索美的问题，显然有局限性。”正是如此，所以今天的建筑学教学和设计实践中，已少有人再把它作为一个重要规律来遵守了。而如今硬把这个形式逻辑中的黄金分割经验移植到大厅音质设计领域，并说成是“永恒的规律”，这同样会是没有根据的。
另一个例子是：该论说认为“黄金律”(0.618)还体现在混响时间计算公式中，并赞之为“充分显示了科学美”，“这一特点是值得在室内声学和空间设计所注意的。”其实这只是把V／S＝3.7代入混响时间计算公式后，凑得的结果。如果把该论说中V／S的另一推荐值1.5代入，又将作何解释呢？
4 混响时间和EDT
在理想扩散声场中，按统计声学理论，整个混响过程是均匀衰变的，即呈线性形式，故其初始阶段与后期的衰变率是基本保持一致的。这个衰变率和由此导出的混响时间则取决于空间大小和空间吸收等条件。如在扩散条件差的声场中，各表面反射的参与不能达到无规状态，于是衰变过程中有起伏，也会影响到它的衰变率。
80年代混响理论研究有新的进展，扬弃了统计声学的前提，只对一般界面作“扩散性反射”的假定下，认为到达界面的入射声强与上一次反射情况有关，由此得到的混响时间与室内吸声材料的分布有关，还与房间形状和接收点位置有关，至少理论上说明了混响时间的不确定性，是与室内的反射、吸收和扩散相关联的。
实际厅堂中，初始阶段的扩散条件总是比后期差的，因为那时只有少数离散的反射声参与，其衰变率便由这些反射声所决定，和房间扩散条件的关系较小。经常出现的另一种情况是：厅堂中声场扩散条件本身就不太充分，于是在混响后期衰变率逐渐变大，呈现出非线性的衰变过程。这就给用单值来表征大厅混响时间带来困难。
听音实验结果表明，初始阶段(声源停止后初始衰减10 dB左右)的衰变率对混响感重要。故近年来早期衰变时间EDT也常作为大厅的一个音质性能来考虑。目前已积累了不少大厅的实测资料，为设计所需的范围提供了有用的参考。EDT的大小取决于早期反射声序列的结构。除了对实物进行测试，或计算机模拟中可对EDT作出预计外，没有公式可估算。
虽然混响时间和EDT本身具有一定的不确定性，在对音质的度量上也存在一定的不确定性，但这只是说明在音质设计中对此要掌握一定的控制范围，以及有条件时采用可变混响的手段，而不是根本否定混响时间这一参量。何况在音质设计中，混响时间还是一个实实在在可进行定量估算的参量。
近年有人利用耦合空间方法设计出具有不同衰变率的大厅，其初始阶段较短以保证良好清晰度，在后期则由于耦合空间的参与而有较长的混响尾声。这样兼顾了清晰与混响，克服了不易调和的矛盾。根据这一处理手法在世界各地设计建造了好几个音乐厅，都很成功，甚至被誉为21世纪的音乐厅设计方向。
5 结论
总而言之，在音质设计中要：控制混响时间在适当范围；消除不利的反射声；使声场达到一定的扩散要求；有有利的反射声，特别是早期侧向反射声。把这些方面综合考虑，使厅堂内部的形状与反射、扩散、吸声面的分布等互相协调、互相制约。并且与建筑美学相结合，也是科学与艺术的结合，根本不是简单的所谓“吸收型”、“反射型”、“扩散型”所能概括。
参考文献
［1］ L.Cremer and H.Muller. Principles and Applications of Room Acoustics.(1982年)中译本由同济大学出版社1995年出版
［2］ Kuttruff. Room Acoustics.(1992年第三版)第二版中译本由中国建筑工程出版社1982年出版
［3］ M.Barron. Auditorium acoustics and architecture design. 1993
［4］ 曹孝振. 观众厅的尺度比例－黄金律与建筑(视觉)、音乐(听觉)和声学关系初探. 建筑学报，1996年12期
［5］ 曹孝振. 音乐厅设计的发展. 电声技术，1997年3期
［6］ 曹孝振. 混响时间的选择. 电声技术，1998年12期
［7］ Knudsen，V.O. The hearing of speech in auditorium. 美国声学学报1卷(1929)：56～82
［8］ 中国大百科全书－建筑、园林、城市规划卷(1988年5月出版)条目：关于建筑形式美法则：254～261
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