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    建筑聲學的進展

    來源:    作者:    發布時間:2009-03-04 22:28    瀏覽量:421

    建筑聲學的進展

    清華大學建筑學院  秦佑國

    盡管中國的建筑聲學工作者通常都涉及環境聲學和噪聲控制的研究和工程設計,但建筑聲學的領域嚴格地講,只限于建筑(通常是民用建筑)隔聲和室內聲學,前者包括空氣聲隔聲和撞擊聲隔聲,后者包括吸聲降噪和室內音質。而且建筑聲學主要以工程設計為主要工作內容,是一門應用科學和技術。建筑聲學工程盡管有客觀的物理量可以測試,但因為最終的接受者是人,結果的評判是人的主觀評價,帶來了問題的復雜性和不確定性。

    近年來,中國的經濟社會發展迅速,建筑規模和數量空前。住房制度的改變、觀演建筑的普遍、建筑標準訴求的提高、建筑材料和結構的變化等等都對建筑聲學的需求和發展既帶來了巨大的機遇,也帶來新的問題和挑戰。

    一、建筑隔聲

    中國的城市居民在可以預見的未來,仍然要住在多層和高層的集合住宅內,住戶間分戶墻的空氣聲隔聲和分戶樓板的撞擊聲隔聲、外墻上的窗(及陽臺門)和單元內的戶門的隔聲仍然是建筑聲學面臨的量大面廣的問題。

    1.1 分戶墻空氣聲隔聲

    分戶墻空氣聲隔聲首先遇到的問題是隔聲標準問題,《民用建筑隔聲設計規范》(GBJ118-88)規定了住宅分戶墻隔聲分為三級:一級(較高標準)Rw=50dB,二級(一般標準)Rw=45dB,三級(最低限)Rw=40dB。實際反應Rw=40dB的分戶墻難以滿足住戶的要求,在住房商品化取代了計劃分房,住戶要求提高和家庭音響設備普及的情況下,住宅分戶墻隔聲標準取消三級標準Rw=40dB的訴求,從住戶利益出發被提上議事日程。目前,《民用建筑隔聲設計規范》(GBJ118-88)正在修訂之中,相應于隔聲標準提高的提議,亦有對住宅室內噪聲級取消三級標準(最低限):白天50dB,夜間40dB的提議。

    但建筑材料和建筑結構的改革(即所謂“墻改”),實心粘土磚墻的禁用,輕質墻材的推廣,加之建筑師、施工單位和開發商的“疏忽”,使得不少商品住宅的分戶墻隔聲甚至低于40dB。盡管輕質隔墻的隔聲國內從1970年代就已開始研究,但單一材料的單層墻服從“質量定律”,無法取得既要墻輕又要墻隔聲好的結果,復合墻體可以突破“質量定律”,內填巖棉的輕鋼龍骨紙面石膏板墻(兩側各兩層板)可以做到墻既輕隔聲又好的結果,但紙面石膏板的強度低,只能被用于辦公樓、旅館客房等公用建筑中,而不能在住宅中應用??磥?,不能為了減輕墻體重量(墻改要求)而置墻的隔聲性能于不顧,住宅分戶墻還是以重墻為宜(不用實心粘土磚的重墻),瑞典規定集合住宅分戶墻必須是不薄于25cm的混凝土墻,就是為了保證其隔聲性能。住宅設計時,把分戶墻和結構承重墻結合起來,使承重墻即是分戶墻,可以一舉兩得。如果分戶墻是填充墻,并不得不采用輕墻,那就要采用雙層墻或復合墻,保證其隔聲達到標準要求。

    在空氣聲隔聲評價問題上, 當年(1930年代)制定隔聲評價曲線主要考慮實心磚墻的隔聲性能,沒有考慮噪聲源的特征,作為主要隔絕住戶間生活噪聲的分戶墻和主要隔絕室外環境噪聲尤其是交通噪聲的外墻評價曲線是相同的。根據近來的研究,參照ISO相關標準,中國國家標準GB/T50121-2005《建筑隔聲評價標準》(2005101日起實施)引入了兩類噪聲源的頻譜修正量CCtr,前者考慮中高頻成分較多的生活噪聲,后者考慮中低頻成分較多的交通噪聲。       

    墻隔聲的預測計算,盡管從單層勻質墻的質量定律公式,到用統計能量分析(SEA)法計算復合墻體隔聲,發展出許多方法,但墻體隔聲作為一個實用性問題,和構筑一堵實際的墻的費用并不高的原因,墻體隔聲研究仍然以實驗研究為主。如何在實驗室測試值與建筑中實際墻隔聲性能之間確定對應關系,如何估計實際建筑中側向傳聲的影響,是可以研究的問題。但因為問題的復雜性,在隔聲設計中,往往采用實驗室數據降低5dB作為設計余量的方法來處理。

    1.2 樓板撞擊聲隔聲

    樓板撞擊聲隔聲問題首先碰到的是評價量(指標),現行的方法是以ISO標準規定的“標準打擊器”撞擊樓板表面,在樓板下房間中測量噪聲級的大小。對這種方法,早就有不同看法,一些國家如日本、韓國根據本國民眾生活方式的特點采用另外的沖(打)擊樓板的方式;一些歐美學者也進行過對打擊器改進的研究,ISO TC43建筑聲學專業委員會在1970年代成立了專題工作組,經過近十年的探討,終因找不到滿意的替代方法而解散。盡管大家都意識到目前采用的標準打擊器存在種種問題,但一方面還沒有提出更好的方法去代它,另一方面這種方法已經使用多年,在此基礎上形成的大量的資料和信息積累難以和新方法對接,所以目前仍然維持標準打擊器的測試和評價方法。

    基于和住宅分戶墻空氣聲相同的社會背景和時代因素,《民用建筑隔聲設計規范》(GBJ118-88)在目前的修訂中,取消了原規范中住宅分戶樓板撞擊聲“等外級”的標準:Lpnw85dB;一級(Lpnw65dB)和二級(Lpnw75dB)標準不變。
       
    在中國多層和高層集合住宅樓內,分戶樓板通常是鋼筋混凝土樓板,無論是現澆板還是預制圓孔空心板,如果樓地面做剛性鋪裝,如瓷磚、石(板)材、水磨石等,還難以滿足二級標準;如做木地板或鋪薄地毯,一般可達二級標準,但尚達不到一級標準;如鋪較厚地毯,可以達到一級標準,但中國的情況不同于歐美,住戶不愿在住宅中滿鋪或大面積鋪設地毯,即使一些非常富有的家庭。

    浮筑樓面(即在結構樓板和樓地面鋪裝層之間設置彈性墊層)是一種有效的解決辦法,目前在住宅中采用的通常做法是,在結構樓板上鋪設玻璃棉板(厚度15mm左右)作為彈性墊層,在其上再澆筑4050mm厚配有鋼筋網的細石混凝土,交付用戶再行做地面鋪裝。彈性墊層的材料也不限于玻璃棉板,有用巖棉板、聚酯泡沫材料、再生橡膠、尼龍絲墊等。浮筑樓面做法,撞擊聲隔聲效果很好,增加的造價與商品房的房價相比占的比例很小,但要增加6070mm的樓層層高。

    1.3 窗的隔聲

    住宅對室外環境噪聲的防護是建筑外圍護結構的隔聲。外圍護結構中墻體和屋蓋的隔聲通常較好,但窗子是薄弱環節,窗子的隔聲低于墻體,更何況窗子常常要打開,用以房間的自然通風,打開窗子,室外噪聲自然也就傳入室內,再者窗子還有采光和視線通透的功能。所以對窗子進行防噪設計和采取技術措施,必須考慮窗子的通風、采光和視線功能。

    因為近年來建筑節能的要求和窗子制造工藝與材料的改進,窗子玻璃的隔聲性能隨著其保溫性能的改進而提高,窗子的密閉性能也是如此。所以,通常把窗子關閉,即可使傳入室內的環境噪聲降低到滿足標準要求。我國對窗子(作為產品)的熱工性能和隔聲性能制定了測試規范和標準要求,并在《民用建筑隔聲設計規范》中對外墻上的窗(包括陽臺門)規定了隔聲標準。

    窗子隔聲的問題在于開窗通風與隔聲的矛盾。把窗子關上,用機械通風器通風或采用室內空調新風系統,嚴格講已不屬于建筑聲學范疇。在窗子本身上解決通風和隔聲的矛盾,有過一些探索,1980年代國內有單位研制一種“通風隔聲窗”,系采用消聲百葉的做法,通風沒有問題,降噪量因為窗厚度局限,只有5~7dB的增加(與開窗相比),而且降低采光、阻擋視線,難以適用。后來清華大學建筑物理實驗室試驗了“雙層窗交錯開啟”,在間距10~15cm的兩層窗子上,內外的開啟扇不在相同部位,例如,外窗開啟右(或上)側扇,內窗開啟左(或下)側扇,即“交錯開啟”,使室外噪聲通過曲折的空氣通路傳入室內,比直接從開啟窗口傳入有8~10dB的降低。室內外空氣也通過此曲折通路聯通,用以室內通風。此方法在現場試驗,重點是夏天的熱舒適測試和住戶對通風的主觀反映,測試和調查反映居民可以接受。2000年在深圳一高速公路旁的十棟高層住宅中采用此方法,獲得成功。隨后有多家門窗制造廠家,按照此原理推出“通風隔聲窗”產品。至于聲稱有20dB降噪量,是把室外噪聲通過開著的窗傳入室內就已有10dB的衰減也包括在內。

     

    對于住宅以外的民用建筑如學校、醫院、旅館、辦公樓等的隔聲,因其使用特點不同,在《民用建筑隔聲設計規范》中都有各自的隔聲標準。但技術措施與住宅大同小異。一些對隔聲有特殊要求的建筑,如錄音室、播音室、聲學實驗室等,圍護結構需要很高的隔聲量,同時也要防止固體傳聲,通常采用“房中房”的做法,盡管復雜,但目前在技術上可以解決,需要的是技術經濟上做方案比較。

     

    1.4 輕型屋蓋的雨噪聲

    近些年來,許多大型公共建筑,如廣州體育館、國家大劇院、奧運會游泳館(水立方)、北京火車南站等采用輕型屋蓋,用金屬板、透光的“陽光板”(聚碳酸酯板)、“ETFE四氟乙烯聚合物薄膜等做屋面。輕型屋蓋在下暴雨時,雨滴撞擊屋面,會在建筑室內造成噪聲干擾,以致影響室內的正?;顒?。清華大學建筑學院建筑聲學實驗室在2000年即開始研究,時年國防部某作戰模擬演示廳因采用彩鋼夾心板屋面,雨噪聲影響使用而求助于該實驗室;2002年對國家大劇院鈦金屬板屋面的雨噪聲以及防護進行了研究,2004年為研究奧運會游泳館(水立方)屋面雨噪聲,搭建了16m高的試驗塔臺。近年來該實驗室對雨噪聲開展了系統的研究:雨滴(水)撞擊屋面產生噪聲的機理和影響因素、實際降雨試驗與人工模擬試驗的比較、測試方法和評價方法及評價指標、減低雨噪聲的技術措施等。國際上,從90年代中期開始,一些研究機構對雨噪聲的模擬試驗和測試規范進行了研究,一些屋面材料和工程公司進行了雨噪聲降噪技術研究。200211月美國、澳大利亞、英國、德國等國家聯合向ISO提交了雨噪聲實驗室測量標準草案(ISO140-18/CD)。2004年英國建筑研究中心(BRE)按照該草案,對ETFE、聚碳酸酯板、玻璃等進行了系統的雨噪聲試驗測量。

     

    二、室內聲學

    建筑聲學另一個研究對象是建筑空間內的聲音傳輸:聲音從室內的聲源發出,在建筑空間中傳播,并受到房間界面的吸收和反射,接受者既接收到由聲源發出的直達聲,也接收到房間界面的反射聲。如果聲源發出的聲音對接收者而言是不需要的和有干擾的(如機器噪聲和不想聽的人聲),則需要加以減弱,這就是吸聲減噪問題;如果聲源發出的聲音是接收者需要聽聞的聲音(如語言、音樂)則要求聽得清楚和感到動聽,這就是室內音質問題。室內聲學問題首先涉及到室內聲場的物理方面和從聲源到接收者的聲音傳輸問題,再有是作為接收者的人對室內聲場中的聲音(直達聲與反射聲共同存在)的感知和審美問題。

    2.1 吸聲降噪

    吸聲降噪主要是一個工程問題,目標是降低室內噪聲級。如果不計經濟成本和材料使用效率,房間界面的吸聲做得越多,噪聲級降得越低,這是一個單向問題。這就使得吸聲降噪問題,通常不需要對室內聲場的物理方面做詳細的和精確的分析,白瑞奈克提出的室內穩態聲壓級公式一般情況下以敷應用,而現場情況的實際分析和工程實踐經驗倒是十分重要的,如何與建筑空間、室內裝修、房間功能、工作(藝)流程等現場實際情況結合,往往是設計考慮的主要因素,也是工程成敗的關鍵。

    新型吸聲材料和構件的研制和開發,盡管并非完全是建筑聲學的范疇,但吸聲材料與構件的使用是建筑聲學設計的重要內容。由馬大猷先生首創的微穿孔板吸聲結構,是吸聲材料的歷史性突破,近年來,復合微穿孔結構、微穿孔薄膜等的問世,表示微穿孔吸聲結構還在發展。更好地滿足建筑要求(防火、防水、防潮、防霉、防塵、變形小、強度高、外觀美)的吸聲材料和構件不斷為廠家推出。

    對于建筑物的公共空間,如門廳、大廳、中庭、餐廳、營業廳、走廊、通道等,建筑師近年來越來越擺脫過去只顧外觀裝飾效果而忽視聲環境的設計手法,意識到布置吸聲以降低公共空間噪聲級的重要。隨著開敞式辦公室在國內高檔寫字樓建筑中的普遍出現,開敞式辦公室聲環境在中國從研究(清華大學1990年開始)走向實際工程設計。開敞式辦公室的聲環境要求辦公人員各自打電話、接待客戶和使用辦公機器時,工位之間不產生干擾,并保證私密性。聲學設計主要包括:吸聲設計,頂棚吸聲以減少頂棚將一個工位的聲音反射到其他工位,地面處理以減少人員走動時的腳步聲;隔聲屏設計,每個工位都圍以隔板,既是用以遮擋視線,也是隔聲屏障,隔板表面宜布置為吸聲表面,隔板高度雖然越高隔聲越好,但通常高度是以人站起來可以通視,坐下來遮擋視線來確定的;空調噪聲控制,空調噪聲是穩定的連續譜背景噪聲,如果空調背景噪聲太低,反而使辦公人員工位間的干擾聲(電話聲、談話聲)凸顯出來,引起干擾,尤其是私密性難以保證,保持空調背景噪聲在一定水平(如50dBA),可以對工位間的干擾聲(電話聲、談話聲)起到掩蔽作用,減少干擾,保證私密性,當然空調噪聲也不能太高,引起辦公人員的煩惱。

    2.2 室內聲場理論研究

    室內聲場(封閉空間內的聲場)研究是建筑聲學乃至理論聲學的經典課題。馬大猷先生從青年時代(1930年代)在房間簡正頻率研究方面作出舉世矚目的成果以來,一直孜孜不倦地在這塊土地上耕耘,1990年代,連續發表“室內聲場公式”(1989)、“室內有源噪聲控制”(1993)、“室內穩態聲場”(1994)的論文,進入21世紀,以九十高齡發表論文繼續探討:“復議室內穩態聲場公式”(2002),“只有數學,缺少物理——莫爾斯室內受迫振動理論”(2004)。先生指出幾十年來奉為經典的室內聲場莫爾斯簡正波理論是錯誤的,只是從數學上滿足波動方程和邊界條件,得出只是簡正波系列,而缺乏直達聲,這與物理事實不符。先生考慮室內聲源(輻射球面波)和房間邊界的反射與散射,提出“雙聲源”理論,求得了包括直達聲在內的室內聲場的嚴格理論和正確結果。近似結果與白瑞奈克統計聲學的聲場穩態公式基本符合。

    2.3 廳堂音質

    現代建筑聲學(室內音質)在十九世紀末從賽賓的工作開始,經過了一百多年的時間,有了很大的發展,已經能夠在相當的程度上指導廳堂的聲學設計。在過去這一百年中,眾多的聲學家們對于廳堂聲學的各方面的問題用各種方法進行了研究。雖然當今廳堂聲學比起十九世紀已經有了很大進步,但是在很多方面仍然疑云重重,不能完全為人們所掌握,從而廳堂的聲學設計在很大程度上仍要依靠經驗,甚至要“碰運氣”。

    廳堂音質與其說是科學,不如說是藝術,“Architectural Acoustics As An Art”(AAAAA)??梢杂萌聛碚f明。一是“轟動一時的失敗”,1960年代,著名美國建筑聲學家白瑞納克有兩件事轟動國際建筑聲學界:1962年出版了一部巨著:《Music,Acoustics  and Architecture》,至今仍奉為經典;而以他為聲學顧問的紐約菲哈莫尼音樂廳建成后,其音質很差,成為轟動一時的失敗。二是,目前最好的音樂廳都是近代聲學發展以前建成的,如維也納音樂廳建成于1870年,近代聲學研究了100年,卻沒有建成一座音質超過以往的音樂廳。三是,音樂廳不能復制,不能在全世界各大城市都去復制一個維也納音樂廳,讓那里的人也能“享受美妙的音質”,業主不會去要求,公眾不會去要求,建筑師也不會去設計。

    1966年,德國哥廷根大學的希羅德(Schroeder)寫了一篇名為“建筑聲學”的文章,將音樂廳音質要解決的問題分為三個方面:物理的、心理聲學的和美學的。他這樣描述這三個方面的問題:

    (1) 問題的物理方面可用一句話表示,就是“給定了形狀和墻壁材料已知的房間,聲波在里面是怎么傳播的?”

    (2) 問題的心理聲學方面也可用一句話表示,即“給定了已知的聲場,我們聽到了什么?”

    (3) 最后,美學或優選提出的問題是,“給定了一個已知的聲場和要聽的內容的全部信息,人們喜歡聽什么樣的音質?”

    至今40年過去了,廳堂音質仍然圍繞這三個方面進行,取得了一些研究成果,但沒有太大的突破;但因為計算機技術的突飛猛進,模擬和試驗手段有了極大的改進,開始是硬件跟不上軟件的需要,而后來是硬件發展很快,現在是軟件(不是指程序編制,而是理論和模型)需要突破。

    2.3.1物理方面的問題

    關于第一個問題物理方面,實際就是室內聲場問題,但在廳堂音質中,面對的是復雜的空間形狀和復雜的界面特性。百年來的研究軌跡可以用下表表示

    幾何聲學(及統計聲學)

    波動聲學

    系統分析

    20世紀前聲線作圖求反射

    1898年賽賓提出混響公式

    1911Jaeger用幾何聲學的統計方法導出賽賓公式

    1920-30年導出伊林公式

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    基于幾何聲學的計算機模擬

     

     

    1900年,Rayleigh,剛性界面矩形房間簡正振動及簡正頻率數公式

     

    1929-30年,SchusterWaetzmann,混響由簡正模式的衰變構成

    1936年,均勻阻尼界面矩形房間的簡正模式及衰變的解

    1938-39年,馬大猷對簡正頻率數公式的修正和給出均勻阻尼界面矩形房間的混響解

     

     

     

     

     

    有限差分、有限元、邊界元法的計算機求解

     

     

     

     

     

    1929年,在廳堂內開槍診斷回聲

    1935年,房間聲頻率傳遞函數提出

     

    40年代用電火花作聲源測回聲圖

     

    50年代房間聲頻率傳遞函數的研究

    60年代廳堂脈沖響應研究

     

     

    數字信號處理:FFT、相關分析、MLS信號測量脈沖響應

     

    20世紀之前的漫長的廳堂聲學的發展歷史中,基本上都把聲音看作這種聲線或粒子的直線傳播,而采用幾何分析和統計的方法來進行研究。雖然在20世紀30年代,波動聲學曾一度對幾何聲學提出質疑甚至要推翻它,但是到了40年代,當波動聲學掙扎于如何簡化以提供實際的應用時,被其認為“很不嚴密”的幾何聲學依然繼續在廳堂音質設計實踐中被廣泛地應用。

    但是,聲音本質是一種波動現象,波動理論的研究揭示了許多幾何聲學無法揭示的室內聲場的特性。然而到了40年代,波動理論的研究就基本上走到了盡頭,均勻界面矩形房間中的聲場已經可以比較準確地計算,但在向更一般的情況擴展時,遇到了幾乎無法克服的困難。至多只能提出形式解。雖然有人做了進一步的研究,但多是采用統計方法進行的,和波動聲學尋求嚴密準確的解的初衷有所偏離。

    波動聲學方法在室內聲學研究中遇到的這種困境的原因在于,在邊界條件下求解波動方程的方法只能在非常理想的情況下(規則的房間形狀和簡單的界面特性)才有解析解。而對于一般的房間,界面的形狀由于房間形狀和其中的家具的原因,是非常不規則的,界面的聲學特性也是不均勻的,從而房間形狀和邊界條件無法精確地用數學公式表示,即使近似地表示出來,也是很難甚至是不可能求得解析解的。因此,應用波動理論只能得出近似的或定性的結果,實踐中直接把波動理論應用于廳堂音質設計幾乎是不可能的。

    20世紀30信號處理與系統分析首先在電訊領域產生,1935年貝爾實驗室的Wente最先將傳輸系統的概念引入室內聲學,他在題為“房間的聲傳輸特性”的論文寫道:“在室內聲學的研究中,就像在電路傳輸工程中,我們主要對于兩點之間的信號傳輸感興趣。”

    系統傳輸特性分析不考慮系統內部的結構細節,把其看作一個“黑箱”,只通過其輸入(激勵)和輸出(響應)來分析研究系統的傳輸特性。這種方法應用到廳堂聲學中,正好避開室內聲場波動問題的復雜性,通過直接的測量聲源信號和接收點的接收信號,來獲取聲場特性,重點放在測量技術及結果分析。

    起初,Wente建議用測量房間中兩點之間的穩態頻率傳輸曲線(即頻率傳遞函數)來考察房間音質,并發現測得的曲線的不規則性與房間的吸聲量有關。此后,一些研究者對穩態頻率傳輸曲線起伏特征:起伏大小、頻帶中峰的數目、峰的頻率間隔等擬定了一些評價參數,想以此來評價房間的音質。1950年代柏林技術大學的克萊默和他的三個學生,通過19個大小不等的房間的試驗測量和理論分析,得出房間穩態頻率傳輸曲線起伏特征和房間混響時間相關,穩態頻率傳輸函數不會比混響時間給出更多的房間聲場信息,三個學生之一的希羅德(Schroeder1962年在J.A.S.A上發文,對此問題做了理論的回答。

    脈沖信號用于廳堂聲場測量,起初是為了發現回聲,也可以用于驗證幾何聲學的聲線反射(前次反射)。三四十年代,測量“回聲圖”并用它來分析反射聲時間分布的方法被廣泛地應用于聲學模型及實際廳堂中。隨著系統傳輸方法的引入和電火花脈沖聲源的發明應用,室內聲場的脈沖響應的概念和測量應運而生。1965年,Schroeder提出用“脈沖積分法”測量混響時間,他所用的已經是真正波動聲學意義上的脈沖響應概念了。七十年代,在哥廷根的實驗室中,Schroeder和他的同事們用MLS為聲源測量脈沖響應,這種方法可以比較可靠地得到脈沖響應曲線。由于脈沖響應測量技術的進步,脈沖響應在廳堂聲學中的應用范圍逐漸擴展,從測得的脈沖響應中,可以得出所有的聲場參數,甚至聲場的方向分布也可以從雙耳脈沖響應中得到。

    隨著計算機技術的發展,幾何聲學的應用更加得到發揚光大。首先是建立在幾何反射定律下聲線跟蹤法,然后是能為指定接收點提供反射聲線的虛聲源法;從界面作幾何反射,到考慮界面服從朗伯定律的擴散反射;聲源發出的,從沒有“粗細”的一根根分離的聲線,到占據一定空間角的錐體;還有用虛聲源法求出低階(近次)反射聲(高階反射非虛聲源法之所能),再加上一個用聲線跟蹤法經過統計處理的“混響尾巴”等等。目前,已開發出各種室內聲場模擬的商業軟件,聲稱可以得出要設計的廳堂的聲場脈沖響應,甚至用此脈沖響應和“干”音樂卷積,可以讓人身臨其境聆聽未來廳堂的音質效果,即所謂的“可聽化”模擬技術。對建立在幾何聲學基礎上的計算機模擬,說到具有如此的本領,恐怕已經是商業宣傳了。室內聲場本質是一個波動聲學問題,用幾何聲學來研究,就已決定了大前提的誤差,具體方法上的改進和計算精度的提高是無濟于事的。幾何聲學對前次反射聲分布(時間和空間分布)的確定是有效的,但認為脈沖響應是一根根反射來的聲線,就是錯誤的理解了,室內聲場的脈沖響應本質依然是波動聲學問題,一個時域上的單位脈沖函數,在頻率域上是一個廣譜的白噪聲,它可以在很寬的頻帶(理論上是全頻帶)上激發起房間的簡正振動。拿用幾何聲學模擬得到的“反射聲序列”當成廳堂的脈沖響應,是搞錯了!

    計算機的高速度和大存儲容量使得以前在理論上已經提出的聲場波動理論的近似解法得以實現并得到發展,常用的是有限差分法、有限元法和邊界元法,這些方法因為計算機的應用可以在一定精度范圍內求得波動方程離散的數值解。這對小尺度的聲學器件和小房間是有用的,但對于廳堂這樣的大房間,簡正頻率密度達到每赫茲有幾個甚至幾十個簡正頻率,把它們一一計算出來有什么意義呢?廳堂音質的最終接收者是人,人耳的對聲音的頻率、強度、時差等的分辨率和聽聞心理的模糊性,不需要如此地“精確”。面對如此多的計算結果的數據,還是要回到統計處理上去,并不比經典統計聲學有多大提高。何況,用以計算的初始數據(形狀、尺寸、界面聲學特性等)和實際情況的誤差,就足以改變具體的計算結果的數值。(當然其統計特性并沒有太大的不同)。所以,在廳堂中,企圖準確計算(哪怕用大型計算機,用各種數值方法計算)簡正模式,求解波動方程,既是浩大的計算量,也是沒有什么價值的。依然還是回到統計的方法。

    數字信號處理技術的發展,如快速傅立葉變換FFT、相關分析、MLS信號測量脈沖響應等,為室內聲學測量分析和聲場模擬提供了快速便捷的工具。

     

    2.3.2 生理和心理聲學方面

    廳堂聲學領域中最重要的轉變發生在50年代,在計算機技術尚未快速和普及發展之前,聲場物理問題研究難以進展的同時,研究的重心從客觀物理聲場轉向主觀聽覺。人們意識到,對于廳堂音質的諸多問題,要找的答案與人耳處理聲學信息的方式有關。這樣,廳堂聲學就超出了純粹物理學的范圍,進入了生理和心理聲學的領域。換句話說,客觀聲場與主觀聽覺的關系成為研究的核心問題。

    這方面的研究以1951年的Hass效應為開始。以下是廳堂音質生理和心理聲學研究的時間表:

     1854年,Henry研究了反射聲的感知極限50ms

     1898年,賽賓(Sabine)提出混響時間T

     1951年,Hass效應

     1953年,Thiele提出清晰度(definition)D

             50ms前到達的聲能/全部到達的聲能

     1962年,Beranek出版《Music Acoustics and Architecture

             提出初始延遲間隙(initial-time-delay gap):第一個反射聲相對于直達聲的延遲時間,與親切感(intimacy)有關;

     1967年,Marshall提出側向反射聲對音質的重要性;

     1968年,Barron提出空間感的客觀量度S

             早期(5~80ms)側向反射聲能/早期(0~ 80ms)非側向反射聲能

     1970年,Jordan提出早期衰減時間”EDT;

     1974年,Abdel Alim提出明晰度(clarityC,用于音樂的清晰度:

             80ms前到達的聲能/ 80ms后到達的聲能

     1976年,Lehmann 提出強度指數G作為廳堂中響度的度量:

             接收點接收到的聲能/參考點接受到的聲能(dB

     1967~1985,Damaske、Schroeder、Ando等研究雙耳聽聞

     1985年,安藤四一( Ando)提出雙耳互相關系數IACC

     

    2.3.3 音質主觀評價

    一個廳堂其音質的客觀參量可以通過聲學測量獲得,但音質優劣的最終評價決定于聽眾的主觀感受。一個公認為音質優異的廳堂,肯定具有最佳的客觀聲學參量;然而一個具備各項最佳(設計取值)客觀聲學參量的廳堂,卻不一定會被公認為是音質優異的大廳。原因在于音質的主觀評價是多種因素綜合評價的結果。首先當然與客觀聲學參量有關,但還與廳堂的視覺效果、舒適程度、所處的環境、演唱(奏)曲目的類別以及評價者的素質、音樂修養、民族、愛好、年齡等諸多因素有關,從而使主觀評價帶有一定的模糊性。因此,采取何種方法能較確切地評價廳堂的音質效果,是聲學設計中的一項尚待解決的課題。

    Beranek對廳堂音質評價進行研究,1962年提出了認為是獨立的五個主觀參量:響度、混響感、親切感、溫暖感和環繞感,并提出相對應的客觀量。在對一個廳堂進行評價時,先對于各個指標進行評分,最后加權得到廳堂音質的總分。這一方法的最大問題是加權的根據不足。

    20世紀70年代,德國哥廷根大學、柏林技術大學運用現代心理學的實驗方法和多變量分析中的因子分析方法進行了廳堂音質研究工作。哥廷根大學利用錄制的信號在廳堂中重放,并在廳堂中不同座席上用人工頭進行雙耳錄音。用錄制的信號在消聲室內做聽音試驗,通過成對比較,提出了廳堂音質的三個參量:混響時間(RT),明晰度(C)和雙耳聽聞互相關(IACC)。在聽音試驗中總聲壓級不定,故這些參量中沒有涉及響度。

    柏林技術大學則采取不同的方法,即聽音材料是柏林愛樂交響樂團在6個廳中的演奏錄音。聽音試驗是通過耳機進行的,并要求聽音者對各個主觀指標評分,經因子分析后得出獨立的參量:響度(強度指數G)、明晰度(C)、低頻混響比(BR)。結果顯示出在40個聽音試驗的人中明顯地分成兩組,一組對響度較敏感,而另一組則對明晰度較敏感。同時還發現混響時間除了對響度有影響外,對音質的關系不敏感,只有在混響時間低于1.7s時才對音質有明顯的影響。

    安藤四一(Ando)在哥廷根大學通過人工合成聲場模擬廳堂中的聲場,合成聲場中包括直達聲和反射聲,其中反射聲的方向、強度及混響時間是可變的。實驗得出決定音樂廳音質的4個獨立參量:響度、親切感、混響、雙耳互相關IACC。根據這4個參量,安藤提出了相應的音質評分方法,但由于該方法測量時,聲源特性不同和接收點位置稍有偏移,結果影響很大,因此,對應用該方法目前尚有爭議。

    布朗(MBarron)組織20個有經驗的音質評價人員,大部分為聲學顧問,對英國的11個廳堂進行了現場評價。評價者在廳內不同的位置聽音,根據問卷調查對各主觀指標作出評價。最后對廳堂總的音質分成7個級別,從頂級很差。結果顯示5個音質指標,即明晰度、混響感、環繞感、親切感和響度是相互獨立的,而廳堂音質的總印象與混響、環繞感、親切感的相關性最高。同時,也發現評價人員對于廳堂音質有不同的偏好,一部分傾向于混響感,而另一部分則傾向于親切感。

    1996Beranek在他的新著《How They Sound: Concert and Opera Halls》一書中, 總結了廳堂音質過去30年的研究工作及對76個大廳的主觀調查評價和實測數據分析后,提出了7個廳堂音質主觀評價參量及相關的客觀物理量,即響度(G)、混響時間(RT)、明晰度(C)、親切感(ITDG)、空間感(IACC  LF)、溫暖感(BR)和舞臺支持(STI),并提出了根據廳堂中實測客觀參量值的音質綜合評價法。運用這套方法對其中3 7個廳堂進行了評價,按其音質分成三個檔次, 其結果與主觀調查符合較好,由此提出了各客觀量的最佳設計值。這種方法,應該說是至今較為全面、可靠性較大的一種主觀評價方法,但測量工作量很大,且有些指標如IACC等能夠測試的單位不多,也不夠成熟。

    2002年日本學者Sato、Sakai和意大利學者Prodi嘗試用上述主觀評價理論,進行了現場聆聽的音質評價試驗;2006Prodi等人采用計算機仿真技術,對具有歷史價值的歌劇院的音質進行了研究。

     

    廳堂音質研究一直以演奏西方古典交響樂的音樂廳為主流,但即使在西方,歌劇院同樣是重要的觀演建筑,其音質研究相對于音樂廳開展的要少得多。歌劇院與音樂廳相比,通常以混響時間較短以適應其有歌詞聽聞的要求,另一方面有巨大的舞臺空間,觀眾席往往有包廂。所以舞臺空間和觀眾廳空間耦合問題、舞臺吸收問題、包廂內聽聞問題等是歌劇院音質研究的特別問題。另外,演員在舞臺上,樂隊在樂池內,舞臺和樂池間音質平衡問題的研究成為近年來歌劇院音質研究的新進展。

    針對中國音樂、戲劇與語言的特點和中國人的欣賞習慣,研究廳堂音質主觀評價,近年來在國內有所開展。在劇院音質設計方面,90年代針對多功能使用的國情,一些劇院嘗試了可調混響的技術設計。進入21世紀,追隨國家大劇院的建設,各地掀起了建設集歌劇院、音樂廳在一起的“大劇院”的風潮,規模、設施和設備追求高標準、大而無當,但音質設計似乎并不十分看重,也沒有什么超越前人的變化。

    對于中國傳統劇場(戲臺、戲場)開始是研究中國戲劇史的學者進行過研究,后來有清華大學羅德胤的博士論文研究和同濟大學王季卿自然科學基金項目的研究。

    三、聲景(soundscape)學

     

    3.1聲景(soundscape)學的緣起

        Soundscape(聲景)的概念由加拿大音樂家R. Murray Schafer20世紀60年代末70年代初提出。起初是指“The Music of the Environment”(環境中的音樂),即在自然和城鄉環境中,從審美角度和文化角度值得欣賞和記憶的聲音。他和其研究小組調查了溫哥華的“環境中的音樂”,出版了《The Vancouver Soundscape》”一書,并在加拿大CBC Ideas廣播電臺開設了“Canada Soundscape”的廣播節目。1975Schafer在歐洲巡回作學術報告,并采集了歐洲城市和鄉村的Soundscape樣本,出版了《European Sound Diary》和《Five Village Soundscape》, 從而把Soundscape推廣到歐洲。正因為Soundscape主要是指自然環境(包括鄉村的田園環境)中的聲音,所以又被稱為“Acoustic Ecology”(聲音生態學)。1978Barry Truax出版了《Handbook for Acoustic Ecology》。

        隨著聲景研究在世界各國的推廣,同時也隨著參與研究的學者的學術背景的不斷多樣化,聲景學的范疇逐漸擴大。例如,有人認為,環境中的聲音有美好的,也有噪聲,聲景研究既要保持好的,也要消除差的,所以環境噪聲問題也可以納入聲景(學)范疇。如英國成立的“Right to Quiet Society”(安靜權學會)。

    日本在Soundscape研究方面大有后來居上的態勢。Soundscape在日本譯為“音風景”,1993年成立了日本Soundscape研究會,其宗旨是讓更多的人關心自己周圍存在的聲音,進而關心聽聲音的環境。在重視聲音的同時,考察遺存的聲音,以及各種聲音的歷史、環境、文化內涵等。研究會曾會同日本環境廳大氣保全局主辦了“評選日本音風景100項”的民眾參與活動。日本聲景研究開展得很活躍,巖宮真一郎所著《聲音生態學》對Soundscape進行了較為全面的闡述。

    中國(大陸)最早進行Soundscape研究的是李國棋,他在留學日本期間,曾在巖宮真一郎的指導下,進行過Soundscape的研究。他回國后,作為他博士論文的選題繼續開展研究。

     

    3.2聲景學的范疇

    盡管Soundscape的概念從提出到現在已有30多年,開展研究的國家和學者不斷增加,方興未艾。但是對Soundscape的理解和研究范疇的界定并沒有統一,這也是必然的。秦佑國在2004年提出從人、聲音、環境三者之間的關系,通過與相關傳統學科的比較來界定聲景學的范疇。

    在人——環境關系中,傳統的Landscape(景觀學),研究人通過視覺感知,對自然環境和人工環境的審美體驗,通常不考慮聽覺對環境中聲音的感知。但人在觀看環境景觀時,在欣賞風景時,不僅僅是眼睛在看,耳朵也在聽。人對環境的審美體驗是視覺感知和聽覺感知協同完成的。所以,聲景學的研究范疇之一就是在傳統景觀學的人對環境的視覺審美中,如何考慮聲音,包括自然聲音和人文聲音及其聽覺感知的作用和影響,它涉及到視覺景觀與“在場”聲音在審美上配合和協同關系的研究,進而在景觀規劃和設計中進行聲景的規劃和設計。

        在人——聲音關系中,傳統的生理和心理聲學研究人的聽覺機理和聲音作為一個物理刺激如何引起人的感覺和知覺反應,它以作用于人耳的聲音作為起點,不涉及環境,也不涉及聲音的文化與審美內容。語言聲學和音樂聲學則主要研究以聲音為媒體傳播的信息和音樂美學,也不涉及環境。

    但人在傾聽聲音和欣賞音樂時,其審美感覺并不僅僅取決于聽覺的感知,還和“在場”的環境及對其的視覺感知有關,人對聲音的審美體驗是聽覺感知和視覺感知協同完成的。所以,聲景學的另一個研究范疇是,研究人與聲音的關系中環境的影響,且主要是人以審美目的傾聽時,“在場”環境的影響。

    在聲音——環境關系中,傳統的建筑聲學以及環境聲學主要研究構成環境的物質材料、物質實體和空間的聲學特性,和聲音以物理聲波的方式在環境中的傳播,以及聲音從聲源輻射后傳播到接受者(人)處產生的物理特性變化及其引起的人聽感的變化。廳堂音質雖然涉及到人的聽感審美,但只是對聲音(即使是音樂)的物理特性的主觀感受:響度、豐滿、清晰、明亮、環繞等。它不涉及環境的視覺特性(景觀),不涉及聲音的文化和美學內容。但在這個充滿各種聲音的地球上,對環境聲音的評價,不只是一個分貝數多高、頻譜成分如何的問題,也不只是噪聲干擾和環境安靜與否的問題,還應包括審美的、人文的評價。

    因此,聲景學的另一個重要研究范疇是,從文化的、社會的、歷史的角度,即人文的角度研究環境中的聲音,并對具有豐富歷史和地域文化內涵的聲音——“聲景遺產”,加以保護、留存和記錄。其中伴隨自然環境和人文環境存在的聲景遺產的保護最為重要。然而,隨著全球化和現代化的急速發展,留在人們美好記憶中的聲音正在迅速地消失,迫切需要像保護物質文化遺產那樣,保護聲景遺產。

    總之,聲景學是從審美的角度和人文的角度研究環境中的聲音;研究人對環境景觀觀看時,在場聲音及其聽覺感知的作用;研究人在傾聽聲音時,在場環境及其視覺感知的作用;研究伴隨自然環境和人文環境存在的聲景遺產的保護、留存和記錄。聲景學是一個由聲學、音響學、景觀學、美學和社會學等學科融合的交叉學科,是科學與藝術的結合。從事聲景學的研究,既要有聲學的知識和技術,更需要美學和人文的修養,需要敏銳的聽覺和視覺審美能力,需要社會調查和歷史研究的能力。正因為如此,這門學科散發出誘人的魅力,吸引著越來愈多的各種背景的人進入這個領域。近年來,聲景學的研究在中國已經引起廣泛的興趣,例如國家奧林匹克公園進行了聲景規劃和設計。

     

     

    主要參考文獻

    [1] 編寫組,《建筑隔聲評價標準》GB/T50121-2005,國家標準,2005

    [2] 編寫組,《民用建筑隔聲設計規范》(修訂版征求意見稿),國家標準,2007

    [3] 王季卿,建筑隔聲研究的進展,同濟百年校慶報告會,2007

    [4] ISO標準起草組,Laboratory Measurement of Sound Generated by Rainfall on Building Elements,ISO標準草案,ISO/CD-18,2004

    [5] 馬大猷, 論室內聲場,聲學學報,2003

    [6] 馬大猷, 只有數學缺少物理——莫爾斯室內受迫振動的理論,聲學學報,2004

    [7] Leo Beranek著,王季卿等譯,馬大猷審定,《Concert Halls and Opera Halls》, 1996,《音樂廳和歌劇院》,同濟大學出版社,2002

    [8] 薛長健,廳堂聲學理論的發展,研究生論文(導師 秦佑國),2002

    [9] 王季卿,音樂廳音質設計進展述評,應用聲學,2003

    [10]吳碩賢,美國聲學學會75周年暨147屆學術會議建筑聲學論文評介,應用聲學,2005

    [11] 秦佑國,聲景(Landscape)學的范疇,全國建筑物理會議主題報告,2004

     

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