唐鳳臺，孟子厚

(中國傳媒大學 傳播聲學研究所，北京100024)

1 引言

混響時間是最重要的聲學參數(shù)之一?；祉憰r間的定義為：聲源在房間內(nèi)停止發(fā)生后，殘余聲能在房間內(nèi)往復反射，經(jīng)吸聲材料吸收，房間內(nèi)聲能密度衰減60dB所需的時間，一般用T30表示。在混響相同的情況下，對于不同的空間，以及使用不同的音源給人的混響感是不同的。在建聲音質(zhì)設(shè)計中，混響扮演者及其重要的角色。恰當?shù)幕祉憰r間，相對平直的頻率特性曲線等都需要考慮，從而得到一個音質(zhì)良好的廳堂。

在一座固定的廳堂中，我們可以通過改變其吸聲材料的系數(shù)、調(diào)節(jié)耦合空間的大小及其使用電聲技術(shù)來調(diào)節(jié)廳堂的聲學參數(shù)，使其更加適宜音樂作品的演奏環(huán)境，從而獲得更好的聽覺效果。目前國外對于通過改變吸聲材料和耦合空間來改變音樂廳混響時間的廳堂比較多，例如美國的有達拉斯莫頓梅爾森交響樂大廳，費城金梅爾演藝中心Verizon大廳；英國的伯明翰交響樂大廳等。而國內(nèi)還沒有真正意義上的該類廳堂。

可調(diào)混響音樂廳是當前發(fā)展的趨勢?；祉懣烧{(diào)可以使廳堂功能多樣化，滿足不同音樂類型使聽感更佳。本文以某座在建可調(diào)混響音樂廳為研究對象并進行仿真。整個系統(tǒng)自然、無明顯的聲染色現(xiàn)象。主要通過調(diào)節(jié)吸聲簾幕的覆蓋面積和耦合門的開啟程度來調(diào)節(jié)廳堂內(nèi)的混響。

2 Odeon仿真過程及結(jié)果

2.1 音樂廳模型介紹

本座音樂廳為小型音樂廳，主空間體積為7900m3，面積約為2900m2。次空間體積(即位于主空間兩側(cè)的休息廳，和后側(cè)的大廳部分)體積為7100m3。音樂廳上空有一塊反射板。其模型如下圖1所示。

圖1 音樂廳模型

該座可變混響音樂廳是通過改變音樂廳內(nèi)吸聲簾幕的覆蓋面積和音樂廳的兩側(cè)和后側(cè)的耦合門開啟程度大小來使混響時間可調(diào)的。設(shè)基礎(chǔ)混響時間為吸聲簾幕和耦合空間均不起作用的狀態(tài)下的混響時間。在音樂廳內(nèi)吸聲簾幕起作用，耦合空間不起作用的情況下，可以下調(diào)混響時間；在音樂廳內(nèi)耦合空間起作用，而吸聲簾幕不起作用的情況下，可使混響時間得以加長。

本座音樂廳的吸聲簾幕安置在觀眾廳的兩側(cè)和后側(cè)，通過調(diào)節(jié)吸聲簾幕的覆蓋面積，可以調(diào)節(jié)主廳的聲學特性。吸聲簾幕全部展開的覆蓋面積如圖2所示，其調(diào)節(jié)方式是由廳堂兩側(cè)同時向后收縮。

圖2 音樂廳內(nèi)吸聲簾幕全展開

本座音樂廳的耦合空間是指位于音樂廳兩側(cè)的休息廳和后側(cè)的大廳，通過調(diào)節(jié)耦合空間與大廳之間相連的耦合門的開啟大小來控制混響時間。其耦合門的開啟程度大小用Odeon的透射系數(shù)來表示。音樂廳兩側(cè)耦合門所在的位置是從靠近舞臺的一側(cè)數(shù)起，第一層的第二扇門到第六扇門，第二層的第一扇門到第四扇門。后側(cè)耦合門的位置是位于中間的第一層的6扇門和第二層的8扇門。

休息廳墻面采用墻面擴散結(jié)構(gòu)，有利于聲能擴散，提高聲場均勻度，避免聲聚焦缺陷。如圖3所示。

圖3 休息廳聲線圖

2.2 測點分布

該模型設(shè)置了1個聲源和6個接收點。聲源位置大概在舞臺的中間，接收點位置都在音樂廳的一側(cè)，如圖4所示。

圖4 測點分布圖

2.3 仿真結(jié)果及分析

由于實驗不可能窮盡所有的可調(diào)類型，以及研究時間的限制，根據(jù)該座音樂廳的具體特征，對研究對象分兩步進行。

2.3.1 耦合空間部分

耦合空間部分主要探索耦合門的開啟程度對混響時間的影響。根據(jù)廳堂兩側(cè)的耦合空間和后側(cè)的耦合空間，衍生出三種模型。

模型一：廳堂耦合空間全部開啟。

圖5 耦合空間模型一示意圖

模型二：僅開廳堂兩側(cè)耦合空間，后耦合空間封閉，不起作用。

圖6 耦合空間模型二示意圖

模型三：僅開廳堂后側(cè)耦合空間，兩側(cè)耦合空間封閉，不起作用。

圖7 耦合空間模型三示意圖

采用多點測量取平均值的方式來進行計算。設(shè)模型一的系列為A系列，模型二的系列為B系列，模型三的系列為C系列。Ai、Bi、Ci表示耦合門開啟(i*10)%時的狀態(tài)，即在Odeon仿真中設(shè)置透射系數(shù)為i /10時的狀態(tài)，i=1、2、3……10。其中在耦合門全部打開100%情況下即A10狀態(tài)下仿真的聲場模型圖如下圖8所示：

圖8 ODEON仿真的A10狀態(tài)的聲場模型

三個模型中，聲源點和接收點是不變的，變化的只是耦合門的開啟大小。

由表1可知，模式一的最大混響時間為2.3s，模式二的最大混響時間為2.1s，模式三的最大混響時間為2.0s。由圖9可知，三個模式對混響時間的敏感程度為：模式一>模式二>模式三。三個模式的混響時間基本上都是隨著耦合門開啟程度的加大而遞增。

表1 三個模型耦合門開啟程度與混響時間T30的值

圖9 耦合門開啟程度與混響時間的關(guān)系

由上圖所示，在同一個模式中存在后一種耦合門開啟狀態(tài)與前一種耦合門開啟狀態(tài)的混響時間相同的情況，如A4和A5等。不同個模式中又存在混響時間相同的狀態(tài)，如A1、B1和C1等，說明影響混響時間的因素不僅與耦合空間的位置有關(guān)還與耦合門的開啟程度有關(guān)。即與早期反射聲的方向和空間體積有關(guān)。

大多研究表明，影響混響感的因素很多，包括早期衰減時間EDT，側(cè)向反射聲系數(shù)LF80，聲能比D50，C80等。廳堂音質(zhì)的最終評判標準是聽者的主觀感覺，而不是客觀聲學參數(shù)，廳堂聲學設(shè)計的目標也是要通過物理手段的應(yīng)用達到統(tǒng)計上最佳的主觀聽感反映。

表2 T=1.9s，A4與A5的聲學參數(shù)

表3 T=1.6s，A1，B1，C1的聲學參數(shù)

由表2 和表3可知，即使混響時間一樣，但是其聲學參數(shù)卻幾乎完全不同，所以勢必會影響主觀混響感，即混響時間與主觀混響感之間并不總是唯一對應(yīng)的關(guān)系，這就不難理解為什么混響時間相同的廳堂其音質(zhì)感覺可能完全不一樣。因此在今后的工作中可以設(shè)置一些主觀實驗，探討這三種耦合空間模式與混響感的關(guān)系。

2.3.2 吸聲簾幕部分

音樂廳內(nèi)在耦合空間均不起作用情況下，調(diào)節(jié)廳堂內(nèi)吸聲簾幕的覆蓋面積主要是為了下調(diào)混響時間和防止聲缺陷。吸聲簾幕材料選用燈芯絨，其倍頻程吸聲系數(shù)見表4所示。

表4 吸聲簾幕的吸聲系數(shù)表

設(shè)該座音樂廳在耦合空間和吸聲簾幕均不其作用的情況下的混響時間為基礎(chǔ)混響時間。本座音樂廳基礎(chǔ)混響時間為1.6s。如圖10所示。

圖10 音樂廳基礎(chǔ)混響時間

音樂廳后側(cè)吸聲簾幕全展開的覆蓋面積為：192m2，觀眾廳兩側(cè)吸聲簾幕全展開的覆蓋面積都約為96m2x2，即廳堂內(nèi)吸聲簾幕的完全覆蓋面積為384 m2。

當吸聲簾幕全展開時，廳堂內(nèi)混響時間約為1.2s。如圖11所示：

圖11 音樂廳最小混響時間

可調(diào)吸聲簾幕狀態(tài)及對應(yīng)的混響時間如下表5所示。

表5 可調(diào)吸聲簾幕設(shè)置基本狀態(tài)和混響時間值

由上表5可知該座音樂廳隨著吸聲簾幕的覆蓋面積縮小，混響時間逐漸增大。在吸聲簾幕全展開狀態(tài)得到最小混響時間為1.2s，即音樂廳可下調(diào)混響時間范圍為0.4s。在耦合空間均不起作用的情況下，可變處理面積為384 m2/2900 m2≈13%。根據(jù)根據(jù)實踐經(jīng)驗，在廳堂建筑中，設(shè)置可變吸聲結(jié)構(gòu)的表面主要在兩側(cè)墻上和局部后墻。當構(gòu)造的吸聲系數(shù)在0.8左右時，可變處理面積占總面積的7%左右時，混響可調(diào)幅度約為0.3秒；處理面積在10%～12%時，可調(diào)幅度可達0.4～0.5秒；如果有更大的調(diào)幅量，除了要增加處理面積在15%以上外，還將設(shè)計吸聲系數(shù)接近1.0的構(gòu)造[5]，但作為音樂廳而言最小混響時間小于1.2s意義不大。

3 結(jié)束語

仿真結(jié)果表明，本座可變混響音樂廳的基礎(chǔ)混響時間為1.6s，通過調(diào)節(jié)分布在廳堂兩側(cè)和后側(cè)的耦合空間的門的開啟程度，可上調(diào)音樂廳混響時間，幅度為0.7s，即達到2.3s；在耦合空間不起作用情況下，調(diào)節(jié)音樂廳內(nèi)在觀眾廳兩側(cè)和后側(cè)的吸聲簾幕，得到音樂廳可下調(diào)幅度為0.4s，即可低至1.2s。所以該座音樂廳的混響時間范圍為1.2～2.3s。對于通過調(diào)節(jié)耦合空間來改變混響時間而言，位于廳堂兩側(cè)的比位于廳堂后側(cè)的更敏感。音樂廳的可變混響設(shè)計最終目的是為音質(zhì)服務(wù)的。仿真結(jié)果顯示，在音樂廳處于不同的調(diào)節(jié)狀態(tài)時，混響時間可以相同，但是其余聲學參數(shù)卻是不同的，所以在后續(xù)工作中可以加入主觀聽感實驗，使該座音樂廳在實際應(yīng)用中獲得最佳的音質(zhì)效果。