优美的厅堂音质

建筑声学

人们很早就发现在空旷的厅堂中和在山谷中一样有回声现象。两千多年前就有人注意到在乐池里铺放稻草会影响乐队的发声。我国还有在戏台下放瓦缸以增加共鸣的做法。

这些实际上都是混响和回声对直达声的影响问题。所谓混响就是声音在墙壁、天花板、地面和室内物体上多次反射，声强逐步降低传到人们耳朵中的声音。如果回声比较强，混响时间较长，就会使人听不清楚，但如果没有回声，又会使人觉得声音发“干”，不好听。

混响时间是评定厅堂音质的第一个物理指标。如果使用同样多的吸声材料，房间越大则混响时间越长，房间越小则混响时间越短。同样大小的房间，吸声材料越多混响时间越短，吸声材料越少混响时间越长。

对各种不同房间，各种不同用途，最佳混响时间的长短是不同的。实验表明，小房间最佳混响时间为1.06秒，房间体积增加，最佳混响时间也增加，到100000立方米的房间最佳混响时间达到2.4秒。

不同的演出内容，最佳混响时间是不一样的。报告厅对混响时间的要求就是不要太长，使先后发的音节不互相混淆，所以混响时间应该偏短。各种音乐演奏要求的混响时间差别较大，轻音乐、爵士乐等节奏快而鲜明，混响时间要短一些，才有鲜明的节奏感，而教堂音乐、风琴音乐，节奏慢，声音悠长，混响时间要长一些，演奏起来显得庄严肃穆。

　　　　　　　　　　　　　 各种声音的自相关时间和最佳混响时间的关系

　　　  经验证明，各种频率上的混响时间最好一样长。对音乐而言，400赫到60赫的混响时间，如果随频率降低而略有增加，到60赫时混响比高频时高1.8倍，会使声音更好听一些。

混响时间很重要，但是在有同样混响时间的两个厅堂中，人们的感觉可能差别很大。这和直达声、反射声、混响声的相互关系有关。实验表明，原来的声音和第一个强回声之间的时间间隔如果不超过50毫秒，那么就感觉不到回声而感到声音增强，如果时间间隔扩大，就会听到回声。这个结果被称为哈斯效应。在设计厅堂时，要计算直达声和反射声的时间差不要超过50毫秒，也就是直达声经过的路径和反射声经过的路径差不要超过17米。

　　　　　　　　　　　　　　  怎样设计音质良好的厅堂

音乐厅和歌剧院要能对自然音有烘托有支持，就要解决以下几个问题：

• 体积大小合适，使声音在室内各处都有足够的响度，而且各处响度均匀。
•  适当长的混响时间。在音乐厅中要有适当的低频混响，使声音听起来感到温暖、热烈。
• 音乐厅的形状、表面处理要使声音对每一个听众来说，是从各个方面来的，除听到演唱者直接传来的声音外，要有更多的从侧壁反射的声音，以增加声音的空间感。
• 要感到各个演员、各种乐器同时发声，舞台上每个演员都能听到其他演员的声音。
• 没有回声、噪声、失真等现象。

许多活动中心的厅堂都设计成多功能的，既能演奏音乐、歌剧，也能做报告，中间的椅子也可以移开，举办舞会或宴会。这种多功能厅的设计一般都偏向于考虑使用最多的功能，既适合音乐，也适合讲话。设置有活动的吸声材料，如帷幕等，以改变混响时间，从而适应不同的用途。

体育馆一般面积比较大，座位少，所以混响时间长。人们往往把体育馆做多种用途，如报告、演唱、大型活动等，但音质很难保证。加上电声系统后，如果设计不当，各处的扬声器发出的声音互相重叠，会使人听不清楚。电声系统最好使用集中系统，使用一两个合适的扬声器组，尽可能的靠近演出的声源。扬声器位置要选好，是听众都能听到。要注意检查不要有平行的墙壁和房顶地面，以避免多次反射。

可以利用电声系统使混响小的厅堂变成音乐厅，对于象体育馆那样空间大或者形状不合适的厅堂，通过附加所需的反射声等，可以造成所希望的声场。这种方法称为有源控制，优点就是使用方便，简单，可以按要求瞬时变化，以满足不同演出的要求。

有源声场控制可以分为声场合成、声场支援和声场效果三大类。声场合成就是在消声室内或强吸声处理的房间内，创造任意的声场。声场支援是根据既成的室内音质条件进行音质方面的力度感、混响感和空间感等的控制。声场效果是利用电声方法控制声场和空间效果的系统。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　吸声材料

多孔性吸声材料是靠其中的孔隙，或狭窄的空气通道，使声波在孔隙或通道中受到摩擦和粘滞性损失，以及材料中细小纤维的振动，把声能转化为热能的。平常人穿的衣服、窗上或舞台上挂的帷幕、坐垫、地毯都是多孔性吸声材料。在建筑设计中使用的玻璃纤维、矿渣棉、甘蔗板、木丝板、泡沫塑料等都是多孔性吸声材料。多孔性吸声材料在高频吸声好，低频差。

在硬墙的前面加一块软的膜或板，共振频率往往在几百赫，在这个频率上吸声性能好。膜的材料越重，膜与墙间的距离越大，共振频率就越低。

一个大的空间，有一个狭窄的口，就构成一个谐振器，在谐振频率上有很好的吸声能力。这种吸声材料称为谐振腔式吸声材料。穿孔板吸声材料就属于这一类，孔越细吸声性能越好。

　　　　　　　　　　　　　　　　　  微穿孔板

在德国波恩设计的国会议事大厅设计成圆筒形，屋顶做成拱形，为了使观众可以看到议员议事的情况，周围的墙是用厚玻璃板做的，正好是极好的反射体。所以这个大厅在第一天启用时，主持人的讲话在周围墙壁引起及强的回声，使电声系统闭塞，不能工作。后来知道墙壁要加上吸声处理，但如果吸声材料是不透明的，外面的人就见不到议员议事的情况了。许多方案都被否定，最后采用中国科学院声学研究所马大猷院士提出的，曾被成功的用于我国火箭发射井噪声控制的微穿孔板技术，设计制成透明的穿孔板吸声器，才解决了这一难题。马大猷院士获德国弗朗和费学会奖章（FHG）和弗朗和费无纤维吸声材料（ALFA）奖。

微穿孔板技术多年来广泛被应用于制作微穿孔板消声器、透明消声通风百叶窗、声屏障等。

马大猷院士获德国弗朗和费学会奖章

微穿孔板成功应用于德国国会议事大厅

　　　　　　　　　　　　  人民大会堂万人大礼堂声学改造设计

中国科学院声学研究所于1956年成功地完成了万人大礼堂的声学设计工作，并在2000年又一次光荣地承担了大礼堂的改造任务。

从万人礼堂的容积与容量来看，几乎是居世界首位。万人大礼堂不仅容积太大，而且体形接近椭圆，又是穹顶，这些因素均使原大礼堂混响时间偏长，回声现象严重，语言清晰度偏低。

中央领导同志对大礼堂的维修改造有明确的指示：“大礼堂改造必须保持其原有建筑风貌。”，即大礼堂容积不变，体型不变，内墙与顶水天一色风格不变。又因消防要求，对改造中使用材料作了明确的规定：

1、表面层材料必须是金属；

2、为保水天一色，作为吸声结构表层金属穿孔板的穿孔率必须一致；

3、内层材料必须I级防火。

大礼堂的功能主要以会议为主，兼顾演出，属于多功能厅性质。根据改造前大礼堂声学特性测量结果，同时考虑到大礼堂在3000人开会时，也要确保语言清晰，混响时间宜偏短不宜偏长，确定改造后大礼堂满场中频混响时间为1.6±0.2s，混响时间频率特性低频可提升1.0～1.2倍、高频0.9～1.0倍的音质设计指标。

从大礼堂改造前后声学性能测量结果比较可见，大礼堂的音质效果不仅达到而且优于业主的要求。空场混响时间合适（估算满场混响时间约1.4秒）、回声现象有较大降低、语言清晰度有明显提高。为此改造后大礼堂的音质得到中央领导的好评。认为“大礼堂声音很好”。

人民大会堂万人大礼堂

人民大会堂清晰度损失仿真