廳堂建筑聲學(xué)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計方法

一、建筑聲學(xué)設(shè)計的要點(diǎn)

一般而言，建筑聲學(xué)設(shè)計的要點(diǎn)主要包括噪聲控制和音質(zhì)設(shè)計兩大部分。

(一)噪聲控制

通常音樂廳、劇場等廳堂都要求很低的室內(nèi)背景噪聲，因此，這些廳堂的選址很重要，應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離戶外的噪聲與振動源。另外，還要進(jìn)行場地環(huán)境噪聲與振動調(diào)查、測量與仿真預(yù)測，目的是為進(jìn)行廳堂建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲設(shè)計提供依據(jù)。保證廳堂建成后能達(dá)到預(yù)定的室內(nèi)噪聲標(biāo)準(zhǔn)。此外，建筑聲學(xué)設(shè)計的另一個重要任務(wù)就是進(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計。

(二)音質(zhì)設(shè)計

音質(zhì)設(shè)計通常包括下述工作內(nèi)容：

1.確定廳堂體型及體量。

2.確定音質(zhì)設(shè)計指標(biāo)及其優(yōu)選值。根據(jù)廳堂的使用功能選擇混響時間、明晰度、強(qiáng)度指數(shù)、側(cè)向能量因子、雙耳互相關(guān)系數(shù)等音質(zhì)評價指標(biāo)，并確定各指標(biāo)的優(yōu)選值，是音質(zhì)設(shè)計的重要任務(wù)。

3.對樂池、樂臺、包廂、樓座及廳堂各界面進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計。

4.計算廳堂音質(zhì)參量。當(dāng)廳堂的平、剖面及樓座、包廂、樂池、樂臺等設(shè)計方案擬定以后，就可開始計算廳堂音質(zhì)參量。

5.進(jìn)行聲學(xué)構(gòu)造設(shè)計。廳堂音質(zhì)除了受前述建筑因素影響之外，還與室內(nèi)裝修材料與構(gòu)造密切相關(guān)。聲學(xué)裝修構(gòu)造設(shè)計通常包括各界面材料的選擇和繪制構(gòu)造設(shè)計圖，需詳細(xì)規(guī)定材料的面密度、表觀密度、厚度、穿孔率、孔徑、孔距、背后空氣層厚度以及龍骨的間距等技術(shù)參數(shù)。

6.聲場計算機(jī)仿真。對廳堂建筑進(jìn)行仔細(xì)的聲場分析和音質(zhì)參量計算，有賴于聲場三維計算機(jī)仿真。

7.縮尺模型試驗。對于重要的廳堂，除了計算機(jī)仿真外，通常還須建立一定縮尺比的廳堂模型，進(jìn)行縮尺模型聲學(xué)試驗。

8.可聽化主觀評價。可聽化技術(shù)是通過仿真計算。或者通過模型試驗測量獲得雙耳脈沖響應(yīng)，將之與在消聲室中錄制的音樂或語言“干信號”卷積，輸出已加入廳堂影響的聲音信號，供受試者預(yù)先聆聽建成后的廳堂音質(zhì)效果。這是近年發(fā)展起來的建筑聲學(xué)領(lǐng)域一項高新技術(shù)。

9.建筑聲學(xué)測量。建筑聲學(xué)測量包括噪聲與振動測量，圍護(hù)構(gòu)造隔聲測量，重要材料與構(gòu)造的吸聲量測量以及廳堂音質(zhì)參量的測量等。

10.對電聲系統(tǒng)設(shè)計提供咨詢意見。對于需要安裝電聲系統(tǒng)的廳堂，建筑聲學(xué)專家尚需與音響工程師配合，對電聲系統(tǒng)的設(shè)備選型、設(shè)計與安裝提供咨詢意見。

11.組織主觀評價。對于重要廳堂，在工程落成后，組織專門的演出和主觀評價，來檢驗建成后廳堂的音質(zhì)效果，是建筑聲學(xué)設(shè)計最后一個重要環(huán)節(jié)。

二、聲學(xué)設(shè)計的手段

準(zhǔn)確地預(yù)測房間的音質(zhì)效果一直是建筑聲學(xué)研究者追求的理想。廳堂音質(zhì)模型測定是建筑聲學(xué)設(shè)計的重要手段。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，使用計算機(jī)進(jìn)行聲場的模擬研究成為現(xiàn)實(shí)。近年來，使用基于有限元理論的方法模擬聲音的高階波動特性，在低頻模擬上獲得了一些進(jìn)展。

廳堂中短延時反射聲的分布，是決定音質(zhì)的重要因素。在縮尺模型中，用電火花作為脈沖聲源測得的短延時反射聲分布，與實(shí)際大廳的短延時反射聲分布有良好的對應(yīng)，對在設(shè)計階段確定廳堂的大小、體型等有重要參考意義。混響時間是公認(rèn)的一個可定量的音質(zhì)參數(shù)，通過模型試驗可以預(yù)測所要興建廳堂的混響時間。聲場不均勻度也是一個重要的音質(zhì)參數(shù)。

模型試驗的測量系統(tǒng)、測量方法和結(jié)果的表達(dá)與實(shí)際廳堂相同，但需要根據(jù)廳堂模型的縮尺比s，在混響時間測量和聲場不均勻度測量時對測量頻率作相應(yīng)改變。不同頻率的聲波，在空氣介質(zhì)中傳播，特別是高頻聲波，它的由空氣吸收引起的衰減在不同溫、濕度條件下差別很大，對混響時間測量結(jié)果，需采取對空氣吸收的影響作相應(yīng)的修正，且有足夠的精度。

對于短延時反射聲分布測量，廳堂音質(zhì)模型的縮尺比s一般采用1/5或1/10，也有采用1/20的，但因受試驗設(shè)備和頻率過高的限制，精度受到一定影響。對混響時間的測量，縮尺比s為1/20時只能對應(yīng)實(shí)際廳堂1000Hz或2 000Hz以下的頻率。推薦縮尺比s不小于1/10，對混響時間和聲場不均勻度的測量可擴(kuò)展至實(shí)際廳堂中的4000Hz。短延時反射聲分布測量的精度也較高。

模型的內(nèi)表面形狀，有些起伏尺寸比較小，對聲波的反射和擴(kuò)散沒有多大影響，在制作模型時可適當(dāng)簡化。但必須保留等于或大于實(shí)際廳堂中聲波為2000Hz的波長的起伏，不能省略。因為這些部分會對聲場的不均勻度有較大影響。要使廳堂音質(zhì)模型的內(nèi)表面各個部分，包括觀眾席的吸聲系數(shù)在所測量的頻率范圍內(nèi)與相對應(yīng)的實(shí)際廳堂內(nèi)表面各部分及觀眾席的吸聲系數(shù)完全相符，實(shí)際上有很大難度，因此允許有±10%的誤差。

為了避免在模型中的背景噪聲過高導(dǎo)至動態(tài)范圍達(dá)不到要求而影響精度，廳堂音質(zhì)模型的外殼必須有足夠的隔聲量。舞臺空間大小、形狀及吸聲狀況，對觀眾廳的短延時反射聲分布、混響時間及聲壓級分布有很大影響。在模型試驗時，這部分宜包括在內(nèi)。舞臺空間部分的吸聲狀況也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的模擬。

短延時反射聲分布測量所用的聲源信號為電容器放電時產(chǎn)生的脈沖聲，適于用做模型試驗中的脈沖聲源信號。聲源中心位置規(guī)定為一般演出區(qū)的中心，高度相當(dāng)于人口的高度。聲場不均勻度測量的聲源位置與高度，與混響時間測量相同。短延時反射聲分布測量常用的方法是將接收到的直達(dá)聲和反射聲信號經(jīng)過放大，以時間為橫軸在示波器上顯示，即脈沖響應(yīng)聲圖譜(回聲圖)。

接收用傳聲器，可以用電容傳聲器或靈敏度比較高的球形壓電晶體傳聲器。傳聲器口徑不宜過大，防止傳聲器的圓柱體型在接收位置對聲場形成影響。在測量時要求記錄模型內(nèi)空氣的溫度和相對濕度，是為了修正由于高頻聲在模型內(nèi)過量的空氣吸收所造成的低于實(shí)際廳堂混響時間的偏差。