建筑声学形体的构建

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1、建筑声学形体的构建我在一本名为器具的革命书中看到过这样一段文字：“人类的文明从原始社会到至今，器具的革命 中得以充分体现。从木牛流马到汽车飞机，从土块碎石到坦克大炮，器具的革命是文明进步的一种标志， 器具的革命就是科技的革命，器具的革命源自于两个方面：一是构成器具的结构、材料的变革，如运用了 某某新型材料；二是构成器具的形体的变革，如运用了流体力学，人工工程学等。“由此，我联想到了我们 所要设计音质的建筑厅堂，也是一种器具。一种服务于演出，演播的器具；一种服务于交响乐，音乐厅的 器具；一种服务于教室、礼堂、演讲的器具。有其用就必须有其形，器具无论怎样变革均服务于实用，即 使是大胆的创新，任不可

2、脱离实用。否则，将会适得其反，不伦不类。那么，针对建筑、厅堂的这种器具 对音质有什么样的影响呢？一些有创新的建筑，尽管来自于建筑大师之手，但对于声学家却遗憾满腹，从 建筑外观上看气势辉宏，从内部声学上论却难过其用，在实际工作中，我们也不难遇到建筑和音质背道而 驰的情况。怎样才能在建筑和声学上得到和谐统一呢？毫无疑问只有建筑设计和声学设计者的密切配合，才能创造 性地发挥出最高水平，建筑师和声学设计者都有必要了解建筑形体对音质的影响，在进行声学设计时，声 学设计者必要告知设计装饰单位，提出合理要求，再配以合理的电子声学设计，就会取得良好的效果。在实际声学工程设计中，往往产生从形体着手，因为形体的设

3、计不但会给音质带来极大改变，同时还带 来视角艺术，装饰艺术的全面提高。形体的设计有助于了解建筑厅堂的驻波现象、程度；有助于了解平面 尺寸及应用情况；有助于利用厅堂的各反射表面，使声能均匀地到达观众席。不论是以自然声为主的厅堂， 还是以电子扩声为主的厅堂，形体的设计都非常重要。什么是形体呢？简而言之就是建筑厅堂的具体结构 形状。声波在空间体中传播，受其反射面的影响形成声场，形体起到决定性的作用。简单地看，所要设计 的厅堂不外乎就是几种物理形状的的空间体。例如：厅堂是一个球体，一个立方体，一个漏斗体等，但从 声学角度上看，任何一个具有标准形状的厅堂均是不规则的，形体表面材料的不平整性以及吸声机理的

4、不 同，便形成非常复杂的三维空间结构，因此，在某此时候，尽管借助于计算机可以概略分析某一厅堂的声 学情况，要得出精确的结论也决非易事。在声学设计之时，形体可以分为基础形体和实用形体两类，基础 形体也就是所设计厅堂之前的基本形状，它以建筑的结构形式给出了具体的空间框架，物理尺寸，而实际 形体就是设计完工的厅堂空间体，我们可以将基础形体作大刀阔斧的改变，从早期基础形体上看是个圆形， 而设计完工后成为一个扇形等，构成形体的局部结构还可以分为许多方面，从三维上可分为前面、左右面、上面和下面等，前面是观众所看到的前部区域；左右侧面则指厅堂的侧墙结构，上面指厅堂吊顶形状，下 面则指厅堂的平面结构，如升起的

5、地面、坡面等。从实用意义上分则可以分为舞台形体，舞台台口形体、 观众席形体、通道形体、装饰顶面形体等。一、几何分析在形体设计中的运用：声波如同光波一样，遵循入射角等于反射角的原理，在入射平面上，只要知道入射点，便可以根据所作法线求出反射角，当然也会有一部份声波折射入反面形成震动变为热能耗掉。对于球面和曲面，只要我们沿着入射点作出球面切线，就可以知道反射角的大小。必须说明一点，在进行工程设计时，还必须考虑反射表面的尺寸应和声波波长相比有足够大才有效。声波波长等于声速比频率。反射面必须大小这一比值，例如：250Hz的入射声波该反射面至少应为1.4m宽，因为340/250=1.36m,声波的反射规律

6、见下图1所示。墙$墙摘墙(m f ffj 农 ifii心何的农itii国川波人q打r口苦，应附耐的几种悄就 图:男肚川飆和穗点m那的反肘情况 曲三工独中廉用的测肚.工風 m 阶、阶的反射时畑向豫的帕火(b)S *tc依赖于几何声学的原理，在平的反射面上，还可以得到一个虚声源点，虚声源点S位置垂直于反射平面， 在实际工程中，一些声像角偏置较大的场合，就可以感受到虚声像点的存在，通常称之为声像飘移。如下 图 2 所示。根据上述原理，在实际工程设计中，可以用一把简单的测量尺来分析房间的反射情况，当声源S和接收 点R已知，便可以求出反射面的位置，同理，当声源S和反射面已知，也可以求出到达接收点R时该反

7、射 表面所应有的倾斜角度，该工具由四个木条组成一个平行四边形，当声源设定后，依靠四个活动点的改变 就可以知道其反射声的准确方向。声波的传播是波球面形式向外扩散，如同水波浪一样，因此，再配以反射原理，我们就可以作出声波的一 阶、二阶乃至于三阶反射时声波的波阵面图。这样，整个房间的反射特性就更为明确了，如下图所示。一阶、二阶反射时虚声源的情况根据声源和墙体的相对位置，可以大致算出在某一时刻所到达的波阵面的情况，但是，需要说明一点， 任何墙体都不会是绝对平整的，实际上绝对平整的墙体也较无实用意义，因此，上述情况只是作为设计参 考的一种依据，在二维作图时，由于房间的不规则性，仅仅作出房间的某一墙面声波

8、反射图是不够的，还 应该对房间的平面、截面作三维的分析，如果房间的变化很大，作出十几个面的反射图也很必要，手工作 图是一个比较复杂的过程，如果能用计算机进行辅助设计，再配以手工作图运用声线跟踪法或模拟声源来 模拟出一个大厅内的一些设计评价参量，就可以更为地计算出混响时间 T60 的大致时间，以及声区覆盖是 否均匀等。二、厅堂平面形状的设计笔者认为：厅堂的平面形状也应该分为两个方面。一为厅堂的纵向平面的形状，例如：某一厅堂扇形平 面，半圆形平面、正扇形和倒扇形平面等，当一个厅堂的平面形状确定后，那么这个厅堂的整体形状出就 有了一个大体的描述，通常我们说这个厅堂是一个扇形厅堂，正方形厅堂或圆形厅堂

9、。二则分为厅堂平面 的截面形状，例如：某一个厅堂平面截面为梯田式设计、倾斜式设计等。1、厅堂纵向平面的情况厅堂纵向平面的形状有规则形和不规则形两类，规则形的平面一般有矩形平面、半圆形平面，半圆形平 面也叫扇形或倒扇形，也有纯粹的圆形平面，根据声波扩散理论，圆形平面具有两个突出的缺点。 声爬行现象：当声源发出声束后，声波便会沿圆形平面的墙体逐渐反射爬行，最后又到达声源起点，这种 情况产生后，舞台上换能器极易产生反馈，同时，墙体附近的观众也会感到声源难以捉摸。声聚集现象：当声源发出声波后，也会有部份声波通过墙面反射，聚集于厅内基本一区域，无论你怎样 摆放声源都会有部分声波汇集，从而使声均分布极不均

10、匀。因此，圆形厅堂在设计中一般会作正棱形的改 变。并且墙面应用高吸声系数的装饰材料来改变声学缺陷。 扇形平面一般容易满足观众视角和视距的要求。但扇形平面极易受到面积的限制：如果扇角过大，超过了 声源的有效扩声弧度，两侧墙的观众会感到声压极小，同时，中部观众也没有较强的早期反射声，假如运 用立体声扩声系统，还会出现前中部声压也极小的情况。矩形平面结构简便，如果厅堂宽度不大，侧墙反 射也容易到达中部区域，在设计中认真确定声源位置，也容易带来好的效果。倒扇形平面最具有良好的声 学特性，侧墙反射对于声均的平均覆盖最为有利。但由于厅宽由前向后不断收缩，将会影响到厅堂的客座 数量。上述的几种情况对声波的均

11、匀覆盖和视角、视距的整体设计还是相当良好的，在实际设计中也可以做到 有章可循。观众也容易感到视点声源的存在，在工程实践中，也会遇到矩形套矩形或者纯粹就不规则的情 况，实际上一些商业性的夜总会、迪吧，纯粹就是用几间房子拼凑成的，在声区均匀覆盖以及视点声源设 计上对部份区域而言毫无意义，也许这是投资方的某种特定用意吧。2、厅堂截向平面的情况厅堂截向平面非独立而存在，它应当考虑座位和声源高度以及距离的关系，侧墙和后墙的反射与吸收， 在以自然声为主的厅堂中，还应该考虑舞台台口上方吊顶的反射处理等。 我们知道，提高清晰度和响度的方法可以从早期反射声的设计上来获得。但是，早期反射来源于墙体的表 面反射，首

12、先，它已经存在部份声能的耗散，同时，从声波波阵面上看，它已经失去发原始的球面波结构， 因此，提高响度的方法最重要，最直接的方法莫过于加强声源能量，或者缩短听者和声源的相对位置。从 直达声上看，在没有任何反射的情况下，声波如同球面形向外扩散。它具有两个重要特点：在声波正前方 球面波的半径线上，声压最大，随着声源左右偏角的加大，声压也会随之下降减弱。另外，当声能沿着距 离衰减时，由于球面面积和它的半径的平方成正比，所以声音的衰减也与声源至该点的距离的平方成正比。 换句话说，在没有任何反射的情况下（也就是通常所说的自由声均）离开声源的距离及每增加一倍（2D）, 声强下至1/4，声级降低了 6dB，如

13、果离开声源的距离增至3D,声强下降至1/9，声级下降了 9.5dB。现在，我们再来分析厅堂截向平面的情况，假如某一厅堂所有座席都是水平的，那么，听者耳朵距离地 面的高度约为1.2m，假如演讲者站在于30厘米高的讲台上讲话，那么，他的嘴巴（声源）距离地面的高 度约为1.8m。这样的结构有什么样的缺点呢？从视角和视距艺术上看，处于前排的观众需要昂起头来才似 乎能够看到演唱者，同样，由于人体高度的不完全性，前排观众的人头也极易挡住后排观众的视线，当然 这里并不是指完全挡住了观看演讲者，而是指在观众的有效视角范围内，老是有前面观众的人头在眼前晃 来晃去，给人带来极不舒服的感受，从声学角度上看，人讲话时

14、的有效发射角约 900，而演讲者高又约为 1.8m，那么，大部份的声能都辐射到了观众的头顶上部，而照射”到观众席的整个声能只占去很小一部分。 如果把座位逐渐升起，则可以完全解决上述的两个矛盾。首先前排听众不可能再挡住后排观听众的视线， 同样，前排听众也不会遮挡后排听众的部分声能，其次，由于地面的升起，则所有观众都处于声源的有效 辐射角之中，这样，直接分配给听众席的声能就会增加很多，并且各个部分的声场均匀性也会增加很多。如果将声源换为一个高高挂起的扬声器，那么，对于截向平面就没有过多的要求，因为对平行的地面和 起坡的地面而言，观众所受到扬声器的“照射”的射角的差别已经很小了，掠过头部的衰减更不复

15、存在。 因此，对于平行的地面和起坡的地面而言，扬声器的摆放都应该尽可能地升起，还应当使地面的坡度尽可 能大些，不要满足于眼睛视线的最低要求，尤其是对于后座的地面升高应逐渐比前座更大。由于实际用途的不同（如歌舞厅、展览馆、大型宴会）等，另外以及厅堂层高的差异，只有尽可能地知 用升起的地面，在必须采用平的地面的时候，则只有尽可能地利用室内其他的反射表面来加强后座的声能 以及升高声源的位置了。三、侧墙和后墙的形状侧墙和后墙的声学机理在前面几何作用分析中已有介绍，因此，侧墙的形体构造也须遵从入射角等反射 角的原理，层高够高的情况下，应当将侧墙上部作为穹形结构，这样便可以利用反射来改变侧墙观众的声 学特

16、性。但需注意，声波有室内的传播是一个相当复杂的三维结构，实际运用也非绝对如此，因为，喇叭 单元（声源）的朝向关系，或许会显得不是很重要，但如果是声源朝向有效角正对侧墙，则还是有必要运 用穹形设计，并且运用强反射的材料，这样才会取得较好的声学效果。在实际工程中，侧墙的顶部常常采 用吊板方式来增加反射，既方便又可以为厅堂增加各种艺术的造型，不但造型新颖，还可以带来较好的声 学效果。在常用的设计中，常常将侧墙的墙体部分，做成波折形的墙体结构，这样可以从的反射和扩散两个方面 来改善整个房间的声压特性，可以使射向侧墙的大部声能均匀地反射到整个厅堂中部。后墙在一般情况下都会处于声源的有效辐射角内，因此，后

17、墙所带来的不良情形是直接的反射回声干扰， 假如是一个弧形的后墙，还会存在声汇聚的驻波现象，如果汇聚点在舞台上，则反馈啸叫点异常严重，因 此，后墙的形体结构必须在吸吸上下功夫，通常情况，后墙由空隙型的板材组合来完成，也可以在外部蒙 上透气性吸声材料来完成，对于几个常会出现啸叫回馈的频点，还必须针对性的扩大吸收面积至少应大于 频率的波长，并且还须将墙面做成波浪曲折的结构，从面减少声反射，改良声学特性。四、吊顶在没有电子设备以前，吊顶在声学设计中发挥着极为重要的作用，吊顶取决于厅堂的层高以及容积，而 房间的存在延时的长短则取决于吊顶的形状容积，因此，大型的交响乐以及歌剧院，对吊顶的设计都是相 当重要

18、的。随着科学技术的发展，现在的电子混响器也完全可以根据实际用途来改变房间的参数，因此，吊顶在普 及型设计中似乎显得不很重要了，但话说回来，通常我们对于电子设备的定义是原封不动地放大声能量， 而不是强加上去一些额外的成份，为此，了解吊顶的设计仍然是有益而无害的。在礼堂学术报告厅中，吊顶通用的设计为前高后低的梯田式结构，根据声波反射理论，声波可以通过吊 顶的表面反射均匀地到达观众席，在梯田式的设计中，还需要考虑灯光对于顶表的影响；另一种设计为圆 弧形的穹形结构，这种设计可以为装饰带来较强的艺术效果，但也容易带来声聚集和现象。还有一种在穹 形顶棚中再凹进去一个个小穹形的情况，这种设计主要用于那些混响

19、较长的厅堂中，在凹进去的穹形中往 往都填充有极高吸声系数的声学材料。为了获得更好的装饰艺术效果又能给声学设计带来帮助，浮云式吊顶在现行的一些设计方案中运用普 遍，什么是浮云式吊顶呢？就是在所需反射表面的大小、尺寸、材料已经确定后，运用吊挂件将反射体（或 者说吸声体）浮吊挂于厅堂空中，其所有材料可以为木材，石棉纤维，也可以为有机玻璃等，其反射表面 形状只要能满足反射声波（或者说吸收声波）的波长要求，可以将其做为圆形、三角形、正方形。还可以 做为桶形吊挂，再在下部配以灯光，为厅堂的装饰气派增色不少，浮云式吊顶最大的优点就在于可以将一 些建筑物自射存在的离乱管道，通信线路设备完全隐藏，同时为装饰带来

20、更大的可变空间。五、厅堂总体尺寸比例和形状厅堂的总体尺寸对音质的影响主要表现在声染色现象，当声源发出声波后，其反射的声波又与直达声叠 加，在某些频率点上形成强烈的共振，从而使声场变得极不均匀而失真。人们经过不断地探索研究后发现， 出现此种现象和声学反射材料有关外，还与厅堂的规模、形状以及三维尺寸存在关系，当容积规模小于 500m3 以下的厅堂，室内扬声器容易产生驻波，另外，在那些室内陈设家具简易的场合，如新闻演音室、 录音室和监听控制室，房间的比例也会影响到音质效果，而对于那些长宽高大于10m,室内容积在1000m3 以上的厅堂，其一些共振点落在了人耳较不灵敏的频率范围内，例如，在2050Hz以下的这些共振点，尽 管在一些房间中容易产生，但这些频率对人耳的听觉基本上不产生影响，所以，也有人提出在一些大容积 的厅堂设计时，不必受到房间的比例约束。为了改善音质，小型房间的长、宽、高之比最好为2：3：5或（1：1.25：1.6）的比率最好，但就是目 前而言仅仅是一种经验，因为此种比例的房间并不能对声波所有的频率范围产生均匀的和谐共振。