籍仙榮，陸鳳華

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廳堂音質(zhì)輔助設計方法的應用研究

籍仙榮1,2，陸鳳華1

(1. 太原理工大學建筑與土木工程學院，山西省太原市 030024；2. 山西大學土木工程系，山西省太原市 030013)

對廳堂音質(zhì)輔助設計方法的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀、基礎理論和發(fā)展趨勢進行了概述和討論，介紹了廳堂的音質(zhì)要求和設計參量，指出為確保廳堂音質(zhì)達到設計預定的客觀參量，在廳堂聲學方案設計完成后，還需采用計算機模擬技術(shù)和(或)聲學縮尺模型等輔助手段，對聲場進行預測，以此為依據(jù)對方案不足之處進行修正，并舉例說明；同時指出，由于聲場復雜性和實驗設備及過程的局限性，具體應用時，還需結(jié)合理論分析和工程實踐進行判斷。

廳堂音質(zhì)；輔助設計；計算機模擬；聲學縮尺模型

0 引言

1900年，Sabine在大量實驗基礎上提出了著名的混響時間公式，開啟了建筑聲學的新時代[1]。此后半個世紀，Eyring、MacNair、Knudsen等人發(fā)表了大量聲學論著[2-4]，為室內(nèi)聲學的發(fā)展奠定了堅實基礎。上世紀50年代起，許多專家學者嘗試尋找或發(fā)現(xiàn)混響時間以外的第二參數(shù)[5-8]，清晰度、明晰度、初始延遲間隙、早期衰減時間、雙耳互相關(guān)系數(shù)等概念被提出；同時，人們也意識到，在廳堂音質(zhì)設計中，聲學設計及計算是重要手段，但還不能完全反映聲場，需借助一些工具實現(xiàn)對聲場的模擬和預測，聲學測量方法、輔助設計方法都是在此時迅速發(fā)展起來的。聲學縮尺模型和計算機模擬技術(shù)是兩種常用的輔助設計方法。

聲學縮尺模型技術(shù)的早期研究可追溯到賽賓時期，利用光學模型和水波模型來研究一些簡單的聲學現(xiàn)象[9]。真正意義的縮尺模型技術(shù)被認為是1943年F. Sp?ndock提出的[10]，他的研究表明聲學縮尺模型的可行性；此后幾十年，許多專家學者都對聲學縮尺模型的理論和應用進行了探索和研究，縮尺模型從在廳堂建筑中初步應用達到了興盛時期。目前對聲學縮尺模型技術(shù)的研究主要集中在如何更加快速便捷地制作模型，進一步改善測試儀器及設備，提高測試精度和測量頻帶寬度，更好地應用于可聽化及主觀評價等方面[11-13]，隨著50年代計算機模擬在室內(nèi)聲場的應用，聲學縮尺模型也用來解決一些計算機模擬不能解決的問題。

1958年，Allred和 Newhouse發(fā)表了題為“蒙特卡羅法在建筑聲學中應用”的文章，這是計算機模擬在室內(nèi)聲場中的首次嘗試[14-15]。此后幾十年，Allen、Jones、Gibbs等人[16-17]都對室內(nèi)聲場的計算機模擬做了許多研究和論述，從不同角度解釋了封閉空間中聲波傳播的過程，基于幾何聲學和波動聲學的各種聲場模擬軟件也應用而生，并被用來輔助聲學設計。目前對室內(nèi)聲場計算機模擬技術(shù)的研究主要集中在建立更為符合實際聲場的計算模型，可聽化、可視化的實現(xiàn)，模擬軟件的開發(fā)利用，聲學指標的相關(guān)性研究等方面[18-21]；應用則主要集中在如何精確地模擬和預測聲場，指導和評價聲環(huán)境設計，以及一些交叉學科的應用，比如心理聲學、虛擬現(xiàn)實中聲環(huán)境的模擬等方面[22-23]。

1 廳堂音質(zhì)輔助設計的基礎理論

為確保廳堂音質(zhì)達到設計要求，音質(zhì)輔助設計應參與廳堂建筑設計的各個過程[24]，在方案初步設計和深化設計階段，可通過計算機模擬早期反射聲的分布情況來檢查體型是否存在聲學缺陷，并以此模擬結(jié)果作為依據(jù)，進行相應的設計修正；進入擴大初步設計和施工圖設計階段，各個界面的聲學材料和構(gòu)造已經(jīng)確定后，可通過計算機模擬測定混響時間以供參考；同時還可采用聲學縮尺模型試驗，測定聲場分布、早期反射聲分布和混響時間等參量，進一步修正音質(zhì)設計中存在的問題；為了確保廳堂音質(zhì)滿足設計要求，還需在施工過程中以及竣工后的聲學調(diào)試時進行多次現(xiàn)場測試，例如在裝修即將竣工但還沒全部竣工期間，進行現(xiàn)場測試，推算建成后可能的聲學參數(shù)與設計指標之間存在的偏差，以便及時修正。例如在劇場觀眾廳除座椅外的其他表面(墻面、地面、頂棚及門窗)均裝修完工后進行測試，然后依據(jù)測試結(jié)果進行座椅吸聲性能的調(diào)整；竣工調(diào)試時，需邀請專業(yè)演員現(xiàn)場演出并邀請聽眾參與，聽取他們的評價意見，然后找出對應的客觀參量，做最后的調(diào)整和測試。

1.1 廳堂音質(zhì)設計的聲學參量

良好的廳堂音質(zhì)，主觀上要求混響感與清晰度(明晰度)之間有適當?shù)钠胶鈁25]，有合適響度且在整個聽眾區(qū)相差不大，有的廳堂還要求有一定空間感和環(huán)繞感，有良好音色，不發(fā)生畸變、失真等。廳堂音質(zhì)的優(yōu)劣最后都取決于觀眾的主觀感受[26]，而主觀感受會受諸多因素的影響，Beranek、Ando、Barron等專家都對廳堂的音質(zhì)評價做了研究[6,8,27]，但對于能代表廳堂音質(zhì)的獨立參量卻持有不同見解，混響感、響度和親切感是認同度最高的三個參量。

(1) 混響感：混響感是受混響時間、聲音頻譜、聲壓級等多種因素影響的綜合主觀感受[28-29]，而混響時間的頻率特性也會引起主觀感知的差異。通常認為音樂廳理想的混響時間的頻率曲線要平直，低頻段可略有提高，但查雪琴等人提出異議[30-32]，指出無論大空間還是小空間，無論語言用途還是音樂用途的廳堂，都應抑制低頻混響，頻率特性曲線應在低頻段下跌或至少平直。

(2) 響度：響度也是廳堂音質(zhì)評價中最基本的評價參量，受很多因素制約，特別是與聲源本身有關(guān)。響度評價指標有單值A聲級和相對強度即強度因子。強度因子表示廳堂內(nèi)某測點直達聲與反射聲聲強與距聲源10 m處相應直達聲強之比(該值一般在消聲室測得)。單值A聲級簡單、直觀，便于測量和檢查，但沒有考慮聲源本身和房間特性的影響；而強度因子考慮的是聲強相對值，只考慮房間界面的影響，而與聲源特性無關(guān)，為了簡化測量，又提出了房間放大系數(shù)Δ，即將測量結(jié)果中直達聲直接按距離修正為10 m處的參考值，而不再測聲源10 m處的直達聲聲強。也有學者認為，在響度評價中還應考慮聽者的主觀因素和時間特性，指出采用響度模型計算響度隨時間的衰變率來評價響度會更合適[33-34]。

(3) 親切感：直達聲后50 ms(語言)和80 ms(音樂)內(nèi)到達的早期反射聲可以加強直達聲強度和提高親切感，而直達聲后第一次反射聲到達的時間間隙即時延間隙1，關(guān)系到早期反射聲的品質(zhì)。功能不同的廳堂，時延間隙要求不同，一般音樂廳最佳值在20 ms以內(nèi)，歌劇院要求不超過30 ms。

1.2 室內(nèi)聲場計算機模擬的基礎理論

室內(nèi)聲場的計算機模擬技術(shù)主要有兩大類[35]，即基于幾何聲學的模擬技術(shù)和基于波動聲學的模擬技術(shù)，前者基于聲線以直線傳播的假設，忽略聲音的波動性，代之以能量疊加；后者是把空間或時間分為元，然后用這些元的組合體解析地模擬或逼近求解區(qū)域，隨著元數(shù)量的增加，解的近似程度不斷改進，最后收斂于精確解。

1.2.1 基于幾何聲學的模型

(1) 聲線追蹤法：在封閉空間中，將室內(nèi)聲源發(fā)出的球面波的每一小部分均看作一根聲線[35]，每條聲線攜帶對應球面波的能量在空間中多次來回反射，檢測聲線是否擊中接收器(如小球或小立方體)，擊中則能量衰減，同時發(fā)生反射，如此直到滿足一定條件則結(jié)束對該聲線的追蹤；計算機在對所有聲線的傳播過程進行跟蹤的基礎之上，合成該接收點處的聲場；聲質(zhì)點追蹤法與聲線追蹤法算法類似，但檢測方法不同，對于聲質(zhì)點模型，質(zhì)點停在接收器中的時間越長，它對能量密度的貢獻越大；聲線束是有不可忽視的橫斷面的聲線集，橫斷面有圓錐形或多邊形，可采用點接收器代替球形接收器或立方體接收器，聲束圍繞空間來回反射，檢測接收器受照射的強度。

以上方法適用于具有幾何反射邊界面的空間；如遇擴散反射邊界面的精確模擬，在幾次反射后，則需要追蹤大量的聲線/聲質(zhì)點/聲束，常用的近似法需產(chǎn)生一個隨機數(shù)以決定反射的方向，而不去追蹤反射聲線的各個方向。

(2) 虛聲源法：將邊界面視為幾何反射面，反射線被認為是從虛聲源直接到達接收點的聲線，如考慮虛聲源又產(chǎn)生的虛聲源，就得到多重反射，當波長比空間/邊界尺寸小很多時，就可采用能量虛聲源法，此時不考慮聲波的物理特性，而將聲波作為聲線處理。該法對于幾何反射界面時早期反射聲的時間和方位能有較精確的模擬。

(3) 第二聲源法：前兩種模型的綜合應用，人為設定兩種模型的轉(zhuǎn)換階數(shù)，低于轉(zhuǎn)換階數(shù)則利用虛聲源法精確計算早期反射聲的時間和空間分布，反之則利用聲線追蹤法計算混響聲，該法轉(zhuǎn)換階數(shù)的確定非常重要，不是階數(shù)越高越好；另外除需考慮房間界面吸聲系數(shù)外，還需考慮界面的散射系數(shù)。

1.2.2 基于波動聲學的模型

計算機的發(fā)展，使得數(shù)值解波動方程模型成為可能，并應用到聲學領(lǐng)域。有限元法和邊界元法模型的基礎是波動方程的近似解，這種方法可為頻域中的共振頻率和時域中的波反射建立模型，已成功地應用到小房間的聲場模擬(如波長大于房間尺寸，或至少屬同數(shù)量級)。

有限差分時域法模型的基礎是時域線性化歐拉方程的數(shù)值積分，模型在解運動媒質(zhì)傳播方程時，考慮了多重反射、多重衍射、非均勻吸收和部分擴散反射面的組合效應；還可應用到運動、非均勻和湍流大氣，即可考慮折射效應。

波動理論的聲學模型對于小尺度空間和小尺度聲學器件，應用計算機可在一定精度范圍內(nèi)求得數(shù)值解。

1.3 聲學縮尺模型的基礎理論

聲學縮尺模型是將廳堂尺度按比例縮小，聲波波長也按統(tǒng)一比例縮小，而頻率則提高。如模型尺寸與原型尺寸之比為∶=1∶，則聲波波長比∶=1∶，時間比∶=1∶，由于模型中的聲速與原型中的聲速相同，即=，則有∶=∶1?？s尺模型比例常取10～50，所以頻率也會放大相應倍數(shù)，這就要求聲源和接收設備可在較高頻率范圍內(nèi)工作，聲源有三個方面基本要求：指向性、頻響特性和信噪比；聲接收設備通常采用不超過1/4 inch的傳聲器，并配置相應鼻錐，使其接近無指向性。模型中界面及物體在高頻時的吸聲特性應與原型中相應位置對的吸聲特性一致，需通過實驗尋求對應的模型材料；空氣對高頻聲的過度吸收也不容忽視，需進行氣體置換(如充干燥空氣、充氮等)或理論修正。

2 廳堂音質(zhì)輔助設計案例分析

在音質(zhì)設計過程中，音質(zhì)計算是基礎和重要環(huán)節(jié)，但為了保證廳堂音質(zhì)，還需采用輔助手段對聲場進行預測和檢驗，及時發(fā)現(xiàn)問題并進行修正。

2.1 計算機輔助聲學設計案例

在廳堂的音質(zhì)設計初期，應采用聲學軟件模擬廳堂聲場[24]，通過對聲場分布和早期反射聲分布的測定來檢查體型是否存在明顯的聲學缺陷，并及時修正；當界面材料確定后，還可以進一步模擬混響時間及其頻率特性等聲學參數(shù)。用于建筑聲學模擬的軟件較多，本案例介紹RAYNOISE軟件在洛陽歌劇院聲學設計中的預測模擬作用。RAYNOISE是比利時LMS公司開發(fā)的一款聲學模擬軟件，能對封閉空間、敞開空間以及半封閉空間的各種聲學行為進行模擬；它的理論基礎是幾何聲學，利用虛聲源法和聲線跟蹤法相結(jié)合的方法來計算聲場的脈沖響應，廣泛用于工業(yè)噪聲預測和控制、環(huán)境聲學、建筑聲學以及模擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設計等領(lǐng)域[36]。

2.1.1 洛陽歌劇院項目介紹[37]

洛陽歌劇院建成于2007年，是一座大型多功能廳堂，可滿足大型舞臺劇、交響樂演出以及會議召開等多項功能的需要，歌劇院內(nèi)景、平面圖及剖面圖見圖1、2。觀眾廳平面近似于矩形，設有二層樓座，有效容積12 760 m3，1 420座，每座容積8.9 m3。音樂演出時，可使用音樂反射罩和升降樂池。

2.1.2 洛陽歌劇院的聲學參數(shù)

在前期聲學設計時，通過聲線分析[37]，對臺口兩側(cè)的八字形反射墻和耳光墻的弧度進行調(diào)整，使得反射墻可以更好地給觀眾廳中部提供近次反射聲，以及避免弧形耳光墻在觀眾區(qū)形成聲聚焦；兩側(cè)墻面均粘貼雙層15 mm厚經(jīng)過防火處理的密度板，表面粘貼飾面層；吊頂材料選用雙層12 mm厚的紙面石膏板；觀眾廳后墻采用弧形擴散吸聲結(jié)構(gòu)。主舞臺、側(cè)臺和后臺均進行吸聲處理，使舞臺混響時間和觀眾廳混響時間接近；觀眾廳的座椅則經(jīng)過測試和調(diào)整，使其吸聲系數(shù)達到設計要求?？紤]到其原有的輕型彩鋼板屋頂隔聲性能較差，則在屋架上弦桿以上增加輕質(zhì)隔聲吊頂提高隔聲性能。

圖1 觀眾廳內(nèi)景(洛陽歌劇院)[37]

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

圖2 平面圖及剖面圖(洛陽歌劇院)[37]

Fig.2 Floor plan and section drawing (Luoyang Opera House)[37]

為了檢驗設計變更是否合理，采用聲學軟件RAYNOISE對室內(nèi)聲環(huán)境模擬，聲壓模擬圖見圖3。方案修改后，室內(nèi)聲場不均勻度明顯改善，避免了對觀眾廳產(chǎn)生聲聚焦?？請鰰r，觀眾廳500 Hz的混響時間在1.4 s左右，舞臺設置反射罩后，混響時間在1.6 s左右。竣工驗收時，對歌劇院觀眾廳空場時進行了聲學測試。圖4顯示了觀眾廳混響時間的測試值，由于在實測過程中，聲場條件、吸聲材料的布置位置等因素均與實驗室的情況以及計算時的假設條件不同，因而會有一定誤差；中、高頻聲波的簡正波密度較大，容易形成擴散聲場，則混響時間計算值和實測值有較好吻合；而低頻段由于頻率特點及實際聲場的情況，不易形成擴散聲場，空間中容易存在低頻振動，且作用的頻率范圍較寬，使得混響時間計算值和實測值會有偏差。

(a) 方案修改前

(b) 方案修改后

圖3 聲壓級模擬圖(1 kHz)[37]

Fig.3 Simulated diagram of sound pressure level (1 kHz)[37]

圖4 混響時間的頻率特性

計算機模擬在檢查和發(fā)現(xiàn)廳堂建筑中的聲學缺陷，進行體型或聲學材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)選，預測聲學參數(shù)等方面具有直觀、便捷、快速等優(yōu)點，但由于聲場本身的復雜性，以及軟件編制和各種聲學參量定義過程中假設的局限性，會使得實測值與模擬計算值之間有誤差，因此在具體應用時，需同時考慮計算機模擬的參考價值及局限性，并結(jié)合工程實踐進行聲環(huán)境設計。

2.2 聲學縮尺模型輔助設計案例

聲學縮尺模型的準確性主要與模型內(nèi)材料選取、聲源、聲接收設備等因素有關(guān)，國內(nèi)外許多音樂廳、歌劇院在建筑聲學設計時，均通過縮尺模型試驗對廳堂的音質(zhì)進行了預測、設計和檢驗[38]。本文以上海東方藝術(shù)中心音樂廳為例，說明縮尺模型在聲學輔助設計中的作用。

2.2.1 上海東方藝術(shù)中心音樂廳工程概況[39]

上海東方藝術(shù)中心建成于2004年，由三個觀演廳組成，其中音樂廳規(guī)模最大，可容納觀眾1976座，有效容積24 000 m3，每座容積10.6 m3。音樂廳內(nèi)外均為橢圓形，外層為玻璃幕墻，內(nèi)層采用8條“魚”狀擴散結(jié)構(gòu)。聽眾席圍繞中心式演奏臺布置，演奏臺可以根據(jù)樂隊規(guī)模升降，聽眾席之間以凸弧形矮墻分隔。吊頂設可升降吸聲體，設計0.5 s (1.6～2.1 s)可調(diào)幅度，用以調(diào)節(jié)廳內(nèi)混響，上海東方藝術(shù)中心的平面圖及剖面圖見圖5。

2.2.2 上海東方藝術(shù)中心音樂廳聲學參數(shù)

為滿足聲學設計要求，該設計程序包括聲學計算，計算機模擬和1∶10的縮尺模型試驗[39]，其中縮尺模型試驗測試內(nèi)容包括混響時間、聲場分布和早期反射聲序列三項，縮尺模型如圖6所示，測試值結(jié)果如圖7、8所示。

由圖7可以看出，混響時間及頻率特性基本滿足要求，即125 Hz和500 Hz分別要求混響時間為2.41 s和2.1 s，測定值為2.29 s和2.14 s，但可調(diào)混響幅度沒達到0.5 s的要求，測定值為0.25 s，說明可升降的吸聲吊頂面積不足，需另外補充可調(diào)吸聲結(jié)構(gòu)。聲場不均勻度ΔL也達到設計要求，要求500 Hz的聲場不均勻度設計值為不超過6 dB，測定值為5.6 dB。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

圖5 平面圖及剖面圖(上海東方藝術(shù)中心音樂廳)[39]

Fig 5 Floor plan and section drawing (Concert Hall of Shanghai Oriental Art Center[39]

圖6 1:10縮尺模型(上海東方藝術(shù)中心音樂廳) [39]

圖8為100 ms(縮尺模型中為10 ms)內(nèi)早期反射聲序列的測定，測定結(jié)果為7個測區(qū)內(nèi)各1個點的反射聲序列(測點布置見圖5)。由圖8可看出，在池座前、中區(qū)缺乏早期反射聲，其它部分良好。因此需調(diào)整演奏臺上反射體的形式和角度，使其可向池座的前、中區(qū)提供較多反射聲。另外，音樂廳后墻為凹弧形，可能會使池座前區(qū)形成回聲，需在后墻上設置擴散體。

圖7 聲學參數(shù)測試值

(a) 測點A1

(b) 測點B1

(c) 測點C1

(d) 測點D1

(e) 測點E1

(f) 測點F1

(g) 測點G1

縮尺模型除可模擬分析廳堂的混響特性、脈沖響應外，還可檢查廳堂是否存在聲學缺陷，如聲聚焦、回聲、顫動回聲等，其它相關(guān)參數(shù)如明晰度、強度因子、早期反射聲時延間隙等在縮尺模型中的測試值均有較高的可信度，可作為修正設計的依據(jù)。

3 結(jié)論

在廳堂音質(zhì)設計過程中，需檢查該方案是否存在音質(zhì)缺陷，聲學指標是否滿足功能要求，這就需要借助聲學縮尺模型技術(shù)或(和)計算機模擬技術(shù)來檢查方案。

(1) 為確保廳堂音質(zhì)達到設計預定的客觀參量，并保證主觀感受與客觀參量的統(tǒng)一，在音質(zhì)設計過程中，除了需采用計算機模擬技術(shù)和聲學縮尺模型進行輔助設計外，還需在施工進程中對現(xiàn)場進行聲學實驗，進而推算可能的測量值與實際值的差距，并進行修正；竣工后的聲學調(diào)試中，還需通過試演聽取演員和聽眾的主觀評價，找出相應的客觀參量，作最后的調(diào)整和測試。

(2) 計算機模擬可以預測聲場聲學參數(shù)，甚至可以聆聽音質(zhì)效果；不需額外實驗設備，就可以進行多種設計方案的優(yōu)選；可以查看和分析聲音傳播過程；整個模擬過程周期較短，輸出結(jié)果快捷方便。但由于聲場本身的復雜性及計算機的局限性，目前還不能完全代替理論分析和實踐經(jīng)驗，具體應用時需結(jié)合工程實踐經(jīng)驗進行判斷。

(3) 聲學縮尺模型不僅可以測量廳堂聲學參數(shù)，還可以進行主觀評價；可以用來研究主觀評價指標；可以更為準確地模擬聲場的波動現(xiàn)象，尤其是擴散問題；可用于處理一些計算機模擬不能解決的問題等。目前，聲學縮尺模型還有一些問題需要解決，比如模型制作周期較長，造價偏高，實驗所需的設備、儀器和材料如何能更符合實際情況，如何提高測試精度和測量頻帶寬度等。

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Application study of auditorium acoustics assisted design

JI Xian-rong1,2, LU Feng-hua1

(1. college of Architecture & Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;2. Department of Civil Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030013, Shanxi, China)

This paper outlines and discusses the development history, research status, basic theory and development trend of auditorium acoustics assisted design methods,introduces the acoustics requirements and design parameters of the auditorium, and points out what computer simulation technology and (or) acoustic scale model should be adopted to detect sound field characteristics after the acoustics design scheme being completed; then according to the testing results, the scheme would be optimized and modified, moreover some cases are cited as evidences. It also points out that because of the sound field complexity and the limitations of the experimental equipment and processes, the conclusions drawn by acoustics assisted design methods should be further judged by combining with theoretical analysis and engineering practice in the specific applications.

auditorium acoustics; assisted design; computer simulation; acoustic scale model

TU112

A

1000-3630(2017)-02-0157-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.02.011

2017-02-06;

2017-03-30

國家自然科學基金青年基金項目(51508311)

籍仙榮(1974－), 女, 山西太谷人, 碩士, 講師, 研究方向為建筑聲環(huán)境。

籍仙榮, E-mail: xrjee369@163.com