建筑声学(4)
来源: | 作者:gdareadmin | 发布时间: 2020-06-10 | 2653 次浏览 | 分享到:
第四章:室内音质设计
概述:
  室内音质设计是建筑声学设计的一项重要内容,其音质设计的成败往往是评价建筑设计优劣的决定性因素
   室内音质设计应在建筑设计方案初期就同时进行,而且要贯穿在整个建筑施工图设计、室内装修设计和施工的全过程中,直至工程竣工前经过必要的测试鉴定和主观评价,进行适当的调整、修改、才有可能达到预期的效果。
4.1 音质的主观评价与客观指标
4.1.1音质的主观评价(音质好坏的最后标准是:听众包括演唱者的主观感受)
   响度:指人们听到的声音的大小。足够的响度是室内具有良好音质的基本条件。与响度相对应的物理指标是声压级。
   丰满度:指人们对声音发出后“余音”的感觉。在室外,声音感觉“干瘪”,不丰满。与丰满度相对应的物理指标是混响时间。
   色度感:主要是指对声源音色的保持和美化。良好的室内声学设计要保持音色不产生失真。另外,还应对声源具有一定美化作用,如“温暖”、“华丽”、“明亮”。色度感:相对应的物理指标主要是混响时间的频率特性以及早期衰减的频率特性 。
   空间感:指室内环境给人的空间感觉,包括方向感、距离感(亲切感)、围绕感等。空间感与反射声的强度、时间分布、空间分布有密切关系。
   清晰度:指语言用房间中,声音是否听得清楚。清晰度与混响时间有直接关系,还与声音的空间的反射情况及衰减的频率特性等综合因素有关。
   无声学缺陷:如回声、颤动回声、声聚焦、声遮挡、声染色等影响听音效果及声音音质的缺陷。
4.1.2 客观指标
(1)声压级:房间中某处的声压级反映了该处的响度。在声源功率一定的情况下,增大声压级需要获得更多的反射声。
(2)混响时间( RT ):RT与室内的混响感、丰满度、清晰度有很大关系。RT越长,越感丰满,但清晰度越差;RT越短,越感“干 ”,但清晰度提高。RT的频率特性与音色有一定关系。RT低频适当增长,声音有温暖感、震撼感;RT高频适当增长,声音有明亮感、清脆感。
(3)反射声时间序列分布:人们最先听到的是直达声,之后是来自各个界面的反射声。一般的,直达声后50ms到达的声音被称为近次反射声,这部分声音对加强直达声响度、提高清晰度、维护声源方向起到很大 作用。   


对于语言,人们提出清晰度D(difinition)的概念,对于音乐人们提出明晰度C(Clarity)的概念。
   D值的意义:直达声及其后50ms以内的声能与全部声能之比。D值越高,对清晰度越有利。
   对于音乐人们提出明晰度C(Clarity)的概念。研究结果表明:为了保证有满意的明晰度,必须保证有C=0~3 dB
   
   50ms以外的反射声一般被认为是混响声,混响声对丰满度、环绕度、清晰度、方向感有一定影响。混响声越多、越强,丰满度、环绕度高,但清晰度变差;强的50ms以外的反射声会产生回声,并影响方向判断。近次反射声和混响声中间不能脱节,否则,虽然混响时间较长但丰满度不够。
(4)空间分布:
    来自前方的近次反射声能够增加亲切感,来自侧向的反射声能够增加环绕感。一般讲,听者左右两耳接收的侧向反射声有较大差别,形成了人们对声源的空间印象。
   在小型厅堂(高为10m以内,宽为20m以内)中,20~35ms正是直达声与最早的一次反射声的时间间隔;在大型厅堂(高为10m以上,宽为20m以上)中,这样的反射声要靠专门设计的反射面来获得。在音乐厅设计中,应尽可能增大侧向的前次反射声在整个反射声能中的比率,以此来增加环绕感
5.2 音质设计的方法与步骤
   对音质的主观评价和客观指标的分析,要求在音质设计时应遵循以下几个原则:
1)防止外部噪声及振动传入室内,使室内的背景噪声足够低。---室内音质设计的一个前提条件
2)充分利用直达声,使室内各处都有足够的响度,并保证声场分布尽可能均匀。(对于以自然声为主的厅堂,要注意选择适当的规模。)
3)听众各点应安排足够的近次反射声。
4)使房间具有与使用目的相适应的混响时间。
5)防止出现回声、多重回声、声聚焦、声遮挡、声染色等声学缺陷。
5.2.1 大厅容积的确定(在大厅的音质设计中,首先要根据厅的用途和规模确定其容积)
1、保证厅内有足够的响度。对于以自然声为主的厅堂,大厅的体积有一定限度。以电声为主的可以不受限制。(推荐值见下表)
     用途             讲演               话剧               独唱             大型交响乐
  最大体积(m3)           2000-3000               6000              10000              20000
2、合适的混响时间。人的吸声量占房间吸声量很大的一部分。不同用途的厅堂的混响时间与每座容积率关系较大。
          用途
            推荐每座容积(m3)


         音乐厅
                8-10
         歌剧院
                6-8
      多功能厅、礼堂
                5-6
      演讲厅、教室
                3-5
         电影院
                4
5.2.2 大厅体型的确定
1、体形的确定方法:几何声学法(声线法):
   其基本原理是以垂直于声波波阵面的直线(声线)代表声能传播的方向,在遇到反射体时,声能传播遵循如同光反射定律一样的反射定律;
   另外,由于声波在厅堂中传播是在同一介质(空气)中传播的,因此不考虑在介质中的折射与衍射;
   第三当两列声波相加时,只考虑其能量的相加,而忽略它们的干涉。
   几何声学方法的应用不仅大大简化了分析工作,而且在很大程度上符合实际,是目前厅堂音质设计初期最常用的方法。下图给出一个用声线法设计观众厅顶棚断面的例子。
2、体形设计的五项原则:
1)保证直达声到达每个观众。
   一般情况下,主要是防止前面的观众对后面观众的遮挡-----在较大的厅堂中,地面应从前到后逐渐升高。
2)、保证近次反射声的良好分布。
   不同延时的反射声对声音有不同的作用。计算第一次反射声延迟的方法。
                                             
式中:分别是直达声和一次反射声入射前后所经过的距离。单位是m。
    对于规模小的厅,体型不作特殊处理,在大多数座位上接收到的第一次反射声的延时在50ms内。尺寸更大的厅,须在厅的体型设计上下功夫。
2)、保证近次反射声的良好分布。
    在大型厅堂中,为了争取延时在50ms以内的前次反射声,其体型设计(平面、剖面设计)应作特殊设计。
(1)厅堂平面形状:
    下图是第一次侧向反射声分布的几种基本形状,从这几种基本形状中可以看出,一次反射声的分布与厅堂的宽度和进深之比相关,在进行平面形状设计的同时必须了解其各自的特点。
从几种基本平面形状中演变出来的几种复杂又具有代表性的平面形状。
a、视线好,多用于表演需求的建筑。措施:顶棚反射板的使用;后墙与侧墙后部做扩散处理。
b、反射声易沿墙反射产生回声;中部缺乏前次反射声。措施:靠近舞台的两侧墙面做成折线形状;后部做扩散处理;舞台口前部的顶棚为中部供一次反射声。
C、观众席上易得一次反射声,是听闻理想的平面。如在两侧平行的墙壁上作适当的起伏,一次反射声更足。
(2)厅堂剖面形状:
    剖面设计主要对象是顶棚,其次是侧墙、楼座、挑台。
    在宽度较大的厅堂,采用落地式楼座在中央区域的听众席上获得较多的一次测向反射声。
获得一次反射声均匀分布的顶棚设计形式:     
    从台口上缘逐渐升高的折面或曲面。中部以后的天花,可设计成向整个观众席及侧墙反射的扩散面。
  
设有挑台的大厅
3)、争取充分的扩散处理
    厅堂内表面若材料光洁而坚实,吸声系数较小,构件的尺寸起伏变化在声波波长的范围内,对声波起扩散反射的作用。这种作用能使声场分布均匀,使声能比较均匀 的增长和衰减,从而可以改善室内音质效果。
    在欧洲一些古老的剧院或音乐厅中。有设计精美的壁柱、雕刻、多层包厢、凸凹变化的藻井顶及大型的花式吊灯等建筑和装修处理。这些对声音有良好的扩散作用。
    在近现代的剧场和音乐厅设计中,在顶棚和墙面上经常安装一些专门设计制作的几何扩散构件,以提高音质效果。
    扩散体的几何尺寸应与其扩散反射声波的波长相接近;声音的频率越低,声波的波长越大,要求扩散体的尺寸越大。

根据经验,扩散体尺寸与波长关系如下:
                                       
a、扩散体宽度,m;
b、扩散体突出高度,m;
c、声速,m/s;
f、声音的频率,Hz;
   
4)、防止产生回声和其他声缺陷
    回声的产生是个非常复杂的问题,在实际的设计工作中,须对所设计的大厅是否有出现回声的可能性进行检查,方法是:利用声线法检查反射声与直达声的声程差是否超过17m(即延迟是够超过50ms)
    观众厅最易产生回声的部位是后墙(包括挑台上后墙)、与后墙相接的天花,以及跳台的前沿等。如后墙是曲面,更会由于反射声的聚集加强回声的强度。
    回声与多重回声、声聚焦与声影
                       
声影区:由于遮挡使近次反射声不能到达的区域。使大厅声场分布不均匀。
                  
在有回声的部位处理措施:
作吸声处理;
作扩散处理;
应改变其倾斜角度,使反射声落入近处的观众席;
吸声处理最好与扩散处理并用,并应当与大厅的混响设计一起考虑。
5)、舞台反射板的利用
   有镜框式的礼堂或剧场,舞台上演员的声音有相当大的部分进入了舞台内部,不能被观众接收。舞台反射板能使声能反射到观众厅,提高观众席上的声能密度;还有加强演员的自我听闻和演员与乐队、以及乐队各部分之间的互相听闻的作用。这是音乐演出的一个重要条件。
a、端室式(反射式)
b、分离式:在舞台口的附近设置若干分离的反射板,反射中、高频,同时可使低频声绕射至板后部空间经过混响后到达听众区。
c、舞台前移式:举行音乐会时,用防火幕墙将舞台间完全切离,大厅成为一个独立的空间(如图)
d、组合式:将端室反射罩扩大,使反射罩成为大厅的延续,为了避免罩内响度过大,再设分离式反射板。
5.2.3大厅的混响设计
    混响设计是室内音质设计的一项重要内容,它的任务是使室内具有和使用要求相适用的混响时间及其频率特性。这项工作一般是在大厅的形状基本确定、容积和表面积能够计算时开始进行。
具体内容:
1)确定适合于使用要求的最佳混响时间及其频率特性
2)混响时间的计算  
3)室内装修材料的选择与布置
1、确定适合于使用要求的最佳混响时间及其频率特性   
    不同使用要求的大厅,有不同的混响时间的最佳值。同样用途的大厅,容积越大,最佳混响时间越长。
    推荐的最佳混响时间是通过对已有大厅的实测、统计归纳得到的,不同的作者,其值有所不同。
常用最佳混响时间(秒
音乐厅         1.8-2.2
剧院         1.4-1.7
多功能         1.0-1.3
电影院         0.8-1.0
高保真         0.4-0.6
录音室         0.3-0.4
    在得到500Hz的最佳混响时间之后,还要依此为基准,根据使用要求,确定全频带上各个频率的混响时间,即混响时间频率特性曲线-----横坐标是频率,纵坐标是与500Hz的混响时间的比率。
   曲线表明,高频混响时间应当尽可能与中频一致,而中频一下可以保持与中频一致,或随着频率的降低适当延长,这取决于大厅的用途。如音乐演出,125Hz附近可以是中频500Hz的1.2~1.5倍。
5.3各类建筑的音质设计
    各类建筑不同,如音乐厅、各类剧场、电影院、多功能大厅、教室、讲堂、体育馆以及录音室等音质要求也不同,设计中要解决的问题也不同,要根据以上所阐述的原则和方法,结合实际,灵活处理。
    另外,这些建筑中还有许多的附属房间,如门厅、休息厅、走廊等,它们对创造整个建筑的声环境也起重要作用。如沉寂的门厅、走廊、会使人感到观众厅的音质更 加丰满,而混响很长的门厅、走廊,不仅会使整个建筑给人以嘈杂的印象,而且会影响人们对观众厅音质丰满度的感受。因此应把整个建筑物作为一个整体来进行声 环境设计。
      
   
5.3.1 音乐厅
   音乐厅 是为交响乐、室内乐、声乐等音乐演出用的专用大厅。
   混响时间的要求:交响乐1.8~2.2s   ;民族乐1.6s 较为理想;室内乐1.7s较理想。
   以一种功能为主,兼有其它功能的房间,可采用以下两种方法改变RT:  一种是改变房间的体积;二种是改变墙面的吸声量(开较多的窗户,要求RT长,关窗;RT短,可把窗户打开。)
5.3.2 剧院
    剧院有歌剧院、戏剧院、话剧院等多种类型。特点是有独立于观众厅的大舞台空间,多以镜框式台口与观众厅相连,一般还有乐池。

   剧院在体形上都应考虑使前次反射声均布于观众席。歌剧院是以满足歌唱与音乐演奏为主,混响时间应当较长,但略小于音乐厅。
5.3.3 电影院
    在电影院内听声音,与剧场内有所不同。电影录音的过程大致是在录音棚内用传声器拾音,然后经过一系列制作过程录在电影胶片上。观众在电影院内听到的是通过扬声器重放出来的声音。
    电影的不同场面,在声学环境上有时差别很大,譬如可以包括表现一个大教堂内的特殊声学效果(其混响时间可达8s)或露天雪地的声音沉寂的空间。为了观众能清晰地听到影片某一特定场面录音效果,尽量不要受到观众厅内声学环境的影响。根据这一特点,电影院内应具有较短的混响时间。但混响时间也不宜过短,混响时间过短,一方面会使观众厅内声音过于“沉寂”,应按建议值 ;
    另外,对后墙应加以分隔或采取强吸声处理,对于一些有可能产生回声、长延时反射、声聚焦的界面,应作认真的声学处理等。
5.3.4 多功能厅、礼堂
    为了提高厅堂的利用率,不少观众厅设计成既可以演出又可以开会或放电影的多功能厅堂,常被称作“影剧院”或“礼堂”。
   多功能厅堂的音质设计一般多用折衷的方法。即在体形上争取前次反射声的均匀分布,适当安排扩散处理,以满足自然声演出的需要。同时又设置电声系统,满足会议、讲演以及小音量演出(独唱、独奏、部分戏剧)的需要。
   混响时间取音乐厅与语言用大厅的中间值,或者以主要功能为主选择最佳混响时间,次要功能则用电声系统配合满足。