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音樂廳的建築聲學指標及音質設計

聲學知識

ACOUSTIC KNOWLEDGE

 

音樂廳的建築聲學指標及音質設計

分類│✘╃:
聲學知識
作者│✘╃:
思成舞臺設計
來源│✘╃:
2022/07/22
瀏覽量

(一)音樂廳的建築聲學指標

混響時間RT│✘╃:

關閉聲源後從聲音下降5dB起至 35dB止,聲音衰變的時間長度乘以 2;

早期衰變時間EDT│✘╃:

關閉聲源後,聲音衰變 10dB的時間長度乘以 6✘✘₪。

溫暖感BR│✘╃:

使用125和 250Hz混響時間的平均值與 500和 1000Hz混響時間的平均值之比BR來描述混響時間中低頻混響時間的情況☁₪,即音色溫暖感的情況✘✘₪。

強度因子G│✘╃:

舞臺上 1- 3個不同的位置放置一個無指向性的聲源,然後測量在廳堂中 8- 20個點的聲能✘✘₪。測量的平均聲能與同一聲源在消聲室中相距10米測得的聲能之比即為G( dB)✘✘₪。強度引數G一般分 6個頻帶測定│✘╃:如果是 500₪◕、1000Hz兩個頻帶的平均值☁₪,稱為中頻強度引數 Gmid✘✘₪。如果是 125₪◕、250Hz兩個頻帶的平均值☁₪,稱為低頻強度引數 Glow✘✘₪。

明晰度C80│✘╃:

直達聲到達後最初80毫秒內聽到的聲音能量與80毫秒以後聽到的聲音能量之比✘✘₪。

親切感t1│✘╃:

XR技術網認為☁₪,音樂廳內正廳池座中心位置直達聲到達時間與第一個反射聲到達時間之差✘✘₪。它使聽眾能感受到演奏音樂的空間的大小✘✘₪。如果初始時延間隙較短☁₪,就會使聽眾有身處小房間的主觀感覺☁₪,有所謂的親切感✘✘₪。親切感表示聽眾與演出者之間認同的程度☁₪,感覺受聲音包圍;反之則感覺與音樂分離✘✘₪。

側向聲能百分比LF│✘╃:

直達聲以後50-80毫秒內從側牆反射到聽眾的橫向聲能與總能量之比✘✘₪。

雙耳聽覺互相關係數IACC│✘╃:

IACC是某一瞬間到達兩耳聲音差異性的量度✘✘₪。如果兩耳上的聲音完全不同☁₪,那麼 ( 1- IACC)的值將是1☁₪,這意味著兩耳上的聲音互不相關✘✘₪。另一個極端是☁₪,從正前方到達的聲波能保證兩耳上的聲音完全相同, (1- IACC)為0☁₪,這表示沒有空間感✘✘₪。酒吧設計網認為☁₪,測量時IACC的測量分為兩部分:第一部分是僅考慮直達聲以後80毫秒內到達聽眾位置時所得的值☁₪,稱為早期雙耳聽覺互相關係數 IACCE✘✘₪。第二部分是考慮 80毫秒以後到 1秒或 2秒時間內聲音的值,稱為後期雙耳聽覺互相關係數IACCL✘✘₪。

(二)音樂廳建築的電聲系統指標

最大聲壓級

當擴聲系統處於最高可用增益時☁₪,在觀眾席上測得的最高穩態聲壓級稱為最大聲壓級

傳輸頻率特性│✘╃:

傳輸頻率特性當聲源在廳堂中發聲時☁₪,實際上整個廳堂都會隨著發生振動✘✘₪。但是由於廳堂四壁₪◕、天花板₪◕、地板以及室內陳設對不同頻率分量的反射和吸收各不相同☁₪,所以對不同的頻率會有不同的響應✘✘₪。XR技術網認為☁₪,其中有一些分量特別容易激發振動☁₪,從而會在這些頻率上發生共振;而在另一些頻率上吸收可能特別嚴重✘✘₪。酒吧設計網認為☁₪,通常☁₪,廳堂的共振和吸收頻率不止一個☁₪,如果共振或吸收頻率分佈不均勻☁₪,就會使某些聲頻分量明顯加強☁₪,某些聲戰友分量明顯減弱☁₪,產生頻率失真✘✘₪。就是說☁₪,傳輸頻率特性平直即意味著聲音不會被染色✘✘₪。

傳聲增益傳輸增益│✘╃:

指放大器輸出功率和輸入功率的比值☁₪,單位常用“dB”(分貝)來表示✘✘₪。功率放大器的輸出增益隨輸入訊號頻率的變化而提升或衰減✘✘₪。這項指標是考核功率放大器品質優劣的最為重要的一項依據✘✘₪。該分貝值越小☁₪,說明功率放大器的頻率響應曲線越平坦☁₪,失真越小☁₪,訊號的還原度和再現能力越強✘✘₪。

聲場不均勻度

聲場不均勻度當擴聲系統處於最高可用增益時☁₪,在不同的觀眾席上測量到的穩態聲壓級的最大差值稱為聲場不均勻度✘✘₪。

早後期聲能比

酒吧設計網認為☁₪,擴聲的揚聲器系統在其覆蓋區內的前期(80ms以內)及後期聲能比☁₪,在相當程度上反映揚聲器的早期聲覆蓋的優劣☁₪,與揚聲器系統的指向性特性關係很大☁₪,它不同於一般廳堂中使用的C80—主要反映全向聲源的早後期聲能比✘✘₪。

(三)音樂廳建築的建築聲學設計

1₪◕、音樂廳體積和容量的確定

2₪◕、音樂廳平面設計

3₪◕、音樂廳剖面設計

4₪◕、演奏臺的設計

(四)音樂廳吸聲₪◕、反射₪◕、擴散構件

1₪◕、空間吸聲體

(1)使用空間吸聲體的原因

 近年來☁₪,越來越多的大型廳堂☁₪,外牆採用玻璃幕牆☁₪,體現室內₪◕、外空間溝通的新理念☁₪,同時☁₪,在巨大的空間內採用隔而不斷的方法分隔空間✘✘₪。由此造成容積大☁₪,且各用房相互連通的現象✘✘₪。在聲學上產生如下不利因素│✘╃:酒吧設計網認為☁₪,吸聲處理僅限於屋頂下的部位☁₪,因而要求吸聲體有更大的吸聲量☁₪,適應大空間的需要;在同一屋架內的不同用房相互連通☁₪,產生了多種形式的耦合空間☁₪,難以控制✘✘₪。

XR技術網認為☁₪,當今大型體育館中的聲學設計都面臨上述問題的挑戰☁₪,要求有限的聲學處理面積能獲得更大的吸聲量✘✘₪。儘可能縮短大空間比賽廳的混響時間✘✘₪。有效的方法是增大空間吸聲體的吸聲量 (增大吸聲體的數量和單位面積的吸聲量)✘✘₪。

 綜上所述☁₪,空間吸聲體的形式雖多☁₪,但聲學功能卻是相同的✘✘₪。即以最小的聲學處理面積獲得儘可能大的吸聲效果✘✘₪。

 把吸聲材料和結構懸吊 (或懸挑)在空間被稱為空間吸聲體✘✘₪。由於材料的各介面全部暴露在空間☁₪,即聲場中☁₪,比單面暴露接觸聲波的機率大☁₪,因此吸聲效能有很大的提高✘✘₪。這樣☁₪,在獲得相同吸聲量的情況下☁₪,就可減少吸聲處理面積✘✘₪。酒吧設計網認為☁₪,形形色色的空間吸聲體☁₪,還可豐富空間的藝術效果✘✘₪。因此☁₪,近來年得到廣泛的應用✘✘₪。

(2)空間吸聲體的形式│✘╃:

 XR技術網認為☁₪,隨著廳₪◕、室₪◕、場₪◕、館的功能₪◕、聲學要求₪◕、結構形式₪◕、裝修標準₪◕、荷載和投資限額₪◕、用材的防火₪◕、防潮和環保等要求的不同而多種多樣✘✘₪。因此☁₪,定型產品僅侷限於工業廠房的噪聲控制✘✘₪。而在民用建築中☁₪,幾乎全部是單體設計☁₪,加工製作✘✘₪。

在民用建築中☁₪,特別是大型的廳堂建築☁₪,用於音質處理的空間吸聲體☁₪,在滿足聲學要求的條件下☁₪,同時要考慮裝修效果☁₪,也即功能與藝術的結合✘✘₪。XR技術網認為☁₪,聲學工程師在設計空間吸聲體時☁₪,必須與建築師和業主密切配合☁₪,有時還可請裝修藝術家參與☁₪,做到完美的結合✘✘₪。

空間吸聲體的吸聲效能│✘╃:

不僅與它的形體₪◕、構造₪◕、用材等密切相關☁₪,同時還與吸聲體懸吊的間隔和高度有關✘✘₪。XR技術網認為☁₪,它的吸聲效能均透過在混響室內測定求得✘✘₪。吸聲體在容積接近₪◕、吸聲材料相同(超細玻璃棉☁₪,ρ=32kg/m3)☁₪,而形狀不同的條件下☁₪,在混響室內測得的吸聲係數✘✘₪。

酒吧設計網認為☁₪,不同的形體其吸聲效能有較大的差別✘✘₪。

吸聲體懸吊的間隔和懸吊高度對相同的吸聲體也有相當大的差別✘✘₪。特別在中₪◕、高頻率範圍內差距更大✘✘₪。

酒吧設計網認為☁₪,空間吸聲體由於所有介面均暴露在聲場 (空間)中☁₪,增加了聲波投射的機率☁₪,從而提高了吸聲的功效✘✘₪。但吸聲體通常在低頻段吸聲效能較差☁₪,原因是在多孔性材料後面缺少空腔✘✘₪。為了提高吸聲體對低頻的聲吸收☁₪,目前常採取如下幾種措施│✘╃:

A 增加吸聲材料的厚度和密度✘✘₪。例如採用半圓柱₪◕、球切面和球狀吸聲體☁₪,可提升對低頻的聲吸收✘✘₪。

B把成品吸聲板材 (通常厚度在15~25mm左右)做成中空的雙層板狀吸聲體☁₪,或再把雙層板做成各種形狀的吸聲體✘✘₪。

C 用增加多孔性材料的厚度₪◕、在板材中設空腔可提升對低頻的聲吸收☁₪,但與中₪◕、高頻的吸聲量相比仍有很大差距✘✘₪。因此☁₪,當需要更大幅度地提高低頻的聲吸收☁₪,可與共振吸聲結構相結合☁₪,也即在多孔性材料的吸聲體內配置共振吸聲結構✘✘₪。

酒吧設計網認為☁₪,關於提高空間吸聲體對低頻的聲吸收的其他措施☁₪,還可採用雙層微穿孔結構₪◕、金屬粉末燒結板與多孔性材料結合方法☁₪,但需考慮造價和荷載的限值✘✘₪。

2₪◕、反射與擴散構造

(1)重要的早期反射聲│✘╃:

在直達聲以後到達的對房間的音質起到有利作用的所有反射聲☁₪,稱為早期反射聲✘✘₪。時間範圍一般取直達聲以後50ms☁₪,也有人認為可取到95ms✘✘₪。早期反射聲能與混響聲能之比稱為明晰度✘✘₪。XR技術網認為☁₪,明晰度高☁₪,語言清晰度也高☁₪,如明晰度達到50%☁₪,音節清晰度就可達90%以上✘✘₪。

酒吧設計網認為☁₪,對聽音樂來說☁₪,情況複雜得多☁₪,不僅要考慮早期反射聲所佔的比重☁₪,還要考慮從側向來的早期反射聲☁₪,能使聲源的空間距離展寬☁₪,增加立體感☁₪,但側向早期反射聲過強☁₪,又會形成虛聲源☁₪,造成移位錯覺的不良後果✘✘₪。

(2)馬歇爾的側向聲原理

 1967年☁₪,紐西蘭聲學家馬歇爾(Haroid Marshall)教授最先將人的雙耳收聽原理同音樂廳的聲學原理結合起來☁₪,認為19世紀“鞋盒型”音樂廳的絕佳音質☁₪,除緣於混響時間及聲擴散以外☁₪,直達聲到達聽眾後的前50~80ms的早期側向反射聲起著極為重要的作用✘✘₪。

(3)定向反射結構

 定向反射結構是一種很好的提供早期反射聲的辦法☁₪,設定在側牆上的反射板可以提供早期側向反射聲☁₪,懸掛在吊頂下的反射板可以提供前向早期反射聲✘✘₪。XR技術網認為☁₪,一般來說☁₪,在劇院中☁₪,由於天花板上有佈景₪◕、燈光等設施☁₪,不方便懸吊反射板☁₪,但是可以在側牆上設定側向反射板;而在音樂廳建築中☁₪,在吊頂下懸掛反射板的就很普遍了✘✘₪。

這裡介紹一類比較特殊的音樂廳———側向聲音樂廳✘✘₪。這種音樂廳是在 1970年隨著側向聲理論的發展而出現☁₪,最為典型的是紐西蘭的克雷斯特徹奇音樂廳✘✘₪。XR技術網認為☁₪,大廳的兩側採用大片傾斜的反射板☁₪,反射板分散配置☁₪,以確保大廳上部空間與座席區仍在同一混響空間內✘✘₪。酒吧設計網認為☁₪,該廳是側向聲理論轉化為具體建築形式的有趣例項☁₪,建成後得到音樂₪◕、聲學和建築界的好評✘✘₪。在長期使用中☁₪,也發現某些缺點☁₪,即有些座席側向反射聲過強☁₪,使聽眾產生聲像移位的感覺☁₪,這是側向聲音樂廳設計中應注意的問題✘✘₪。

(4)浮雲反射板

吊頂下懸掛的反射板又被形象地稱為 “浮雲”反射板✘✘₪。酒吧設計網認為☁₪,浮雲反射板一方面為觀眾席及舞臺上的樂師們提供早期聲☁₪,另一方面又允許部分聲音透過它們☁₪,在整個大空間內形成較長的混響✘✘₪。“浮雲”反射板一般設計成凸弧面☁₪,一方面使得反射聲的覆蓋面更大☁₪,另一方面兼有擴散體的作用☁₪,增加聲場的擴散度 (關於擴散體的問題將在下一節討論)✘✘₪。丹佛伏埃徹音樂廳的內景☁₪,演奏臺上方的浮雲反射板為觀眾席提供了早期反射聲☁₪,改善了樂師間的相互聽聞☁₪,凸弧面也起到擴散的作用✘✘₪。

浮雲反射板設計中需要注意的問題是│✘╃:

XR技術網認為☁₪,反射板的大小₪◕、角度和距離最好不要過於規則☁₪,應適當有所變化;反射板佔據天花的面積不要過大☁₪,排列不要過密☁₪,以避免形成頻率選擇效應✘✘₪。

著名聲學家Beranek在1962年設計的林肯中心愛樂大廳(現為Avery Fisher大廳)的浮雲反射板就因為上述這些原因而遭到了失敗✘✘₪。

我國近期建造的一些音樂廳和多功能劇院也廣泛的採用了定向反射結構☁₪,上海東方藝術中心音樂廳☁₪,在演奏臺上方有 5個長橢圓形的透明反射板☁₪,在大廳圍牆附近還懸吊了一些小的橢圓形透明反射板☁₪,為固定的區域提供反射聲✘✘₪。

 酒吧設計網認為☁₪,在一些多功能劇院內☁₪,為了使自然聲音樂演出有一個良好的聲反射☁₪,除了在舞臺上設定活動音樂罩外☁₪,還在進行自然聲音樂演出時在臺口外臨時懸吊一些定向反射板☁₪,如北京保利劇院₪◕、東莞玉蘭大劇院等☁₪,

3₪◕、擴散結構

(1)幾何形體的擴散結構

 幾何形的擴散體通常有圓柱體₪◕、球切面₪◕、三角錐₪◕、三角柱₪◕、矩形柱等形式✘✘₪。為了達到有效的聲擴散☁₪,擴散體的尺寸應與入射聲波的波長相當☁₪,頻率越低即波長越大☁₪,則要求擴散體的尺寸也越大✘✘₪。

(2)數論擴散結構

MLS擴散體│✘╃:

1975年☁₪,德國聲學家施羅德根據數論中的一種週期性偽隨機序列 MLS而提出 MLS擴散體✘✘₪。 MLS稱為最大長度序列☁₪,是一種數論演算法☁₪,其擴散聲音的原理是☁₪,聲波到達牆面的某個凹凸槽後☁₪,一部分入射到深槽內產生反射☁₪,另一部在槽表面產生反射☁₪,兩者接觸介面的時間有先後☁₪,反射聲會出現相位不同☁₪,疊加在一起成為區域性非定向反射☁₪,大量不規則排列的凹凸槽整體上形成了聲音的擴散反射✘✘₪。MLS擴散牆面的設計需要進行數學計算☁₪,並在聲學實驗室中測量設計方案的效果✘✘₪。

 MLS擴散體的溝槽深度為擴散聲波波長的 1/4☁₪,例如500Hz的聲波波長為 68cm☁₪,如果要擴散 500Hz的聲音☁₪,則擴散體的 溝 槽的深度為 17cm✘✘₪。因此☁₪,思成舞臺設計認為這種擴散體對於頻率有很強的選擇作用☁₪,只在溝槽深度4倍波長的頻率附近的一個倍頻程內有較強的擴散作用☁₪,對於其他頻率則接近鏡面反射✘✘₪。由於這個原因☁₪,MLS擴散體的使用受到很大的限制✘✘₪。

QRD擴散體

針對MLS擴散體的侷限性☁₪,施羅德開始尋求在更寬頻率範圍內有擴散作用的擴散體✘✘₪。由於擴散頻率和溝槽的深度有關☁₪,於是想到將溝槽的深度加以變化✘✘₪。1979年☁₪,施羅德基於二次剩餘序列提出了 QRD(Quadratic Residue Diffusor)擴散體✘✘₪。QRD擴散體的表面是由許多寬度相同而深度不同的溝槽排列而成☁₪,溝槽的深度是按二次剩餘序列排列的☁₪,每個溝槽之間用剛性的翼片隔開✘✘₪。

QRD擴散體的槽寬和槽深按如下方法確定│✘╃:

槽寬W為所考慮的最高擴散頻率的波長的1/2;槽深dn的最大值為所考慮的最低擴散頻率的波長的1/2✘✘₪。確定最大槽深後☁₪,再將二次剩餘序列作為因數確定各槽的深度✘✘₪。二次剩餘序列公式為Sn=n2modp
式中n—從0到無窮大的整數;p—奇素數✘✘₪。

酒吧設計網認為☁₪,QRD擴散體在一些音樂廳內得到了應用☁₪,並取得了良好的擴散效果✘✘₪。但是如果要達到很低頻率的擴散反射☁₪,則擴散體的深度要求很大☁₪,這樣會佔去很多空間☁₪,從而在某種程度上限制了它的應用✘✘₪。而且在1992年☁₪,有人發現它在低頻有很強的吸收☁₪,因此使用QRD擴散體時應當慎重✘✘₪。

(五)音樂廳混響調節構造

 思成舞臺設計認為☁₪,目前建設的劇場大部分是多功能使用的☁₪,許多廳堂的使用功能包括音樂₪◕、歌舞₪◕、話劇₪◕、會議以及電影等☁₪,而這些用途對混響時間的要求是不同的☁₪,即便是專業音樂廳☁₪,由於演奏的曲目不同☁₪,對混響時間的要求也有所不同☁₪,例如演奏巴洛克風格或古典派風格的曲目☁₪,如巴赫或莫扎特的作品☁₪,需要相對較短的混響時間☁₪,而演奏浪漫派或印象派風格的曲目☁₪,如馬勒的作品☁₪,則需要相對較長的混響時間✘✘₪。解決這個問題的最有效的方法就是採用可調混響和可變容積的措施☁₪,其中可變容積的措施構造複雜₪◕、造價高☁₪,使用得較少✘✘₪。酒吧設計網認為☁₪,因此目前多數採用可調混響裝置☁₪,即調節室內的吸聲量☁₪,達到改變混響時間的目的✘✘₪。

(1)簾幕式混響調節構造

 XR技術網認為☁₪,簾幕式可調吸聲構造具有結構簡單₪◕、調節方便₪◕、造價便宜₪◕、佔用面積少等特點✘✘₪。既可採用人工調節☁₪,也可以採用計算機控制的機械調節✘✘₪。以前採用的簾幕多為材質較厚的布藝窗簾☁₪,為了提高簾幕的吸聲效果☁₪,通常要求簾幕有一定的皺褶率☁₪,一般不小於100%☁₪,即在1m的面積上安裝2m簾幕✘✘₪。為了提高簾幕的吸聲係數和拓寬吸聲頻帶☁₪,目前我們在實際工程中採用一種空腹式吸聲簾幕✘✘₪。

(2)百葉式混響調節構造

 百葉式可調吸聲構造的特點是佔用面積小₪◕、便於機械化控制₪◕、調節靈活₪◕、裝飾效果好☁₪,曾在北京劇院和保利劇院使用☁₪,採用機械傳動和計算機調控方式✘✘₪。

(3)旋轉式混響調節構造

 轉筒式可調混響裝置的特點是調節量大₪◕、調節頻頻寬₪◕、傳動方式簡單₪◕、易於計算機控制₪◕、裝飾效果較好☁₪,具有在反射面暴露時擴散效能好等優點☁₪,採用的工程也最多✘✘₪。

(4)升降式混響調節構造

 升降式可調吸聲構造一般用於吊頂☁₪,特點是調節量大₪◕、調節頻頻寬₪◕、易於機械控制☁₪,曾在電影樂團錄音棚₪◕、汕頭廣播電視劇場₪◕、大連廣電中心音樂錄音棚等建築內使用✘✘₪。XR技術網認為☁₪,圖2-54是大連廣電中心音樂錄音棚吊頂上的升降吸聲體☁₪,這種構造存在的問題是結構比較複雜₪◕、需要佔用吊頂內的空間☁₪,而一般廳堂建築的吊頂內都比較擁擠☁₪,所以佈置起來比較困難✘✘₪。升降式調節裝置也可用於牆面✘✘₪。

(六)音樂廳擴聲系統設計

1₪◕、固定安裝語言擴聲系統

2₪◕、活動安裝音樂擴聲系統

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