陳小平

【摘要】基于聲學(xué)研究中幾個重要理論，分別介紹了20世紀(jì)50年代及以前、60年代和60年代以后三個不同時期音樂廳聲學(xué)的理論發(fā)展和聲學(xué)設(shè)計，并對音樂廳聲學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。

【關(guān)鍵詞】音樂廳聲學(xué)設(shè)計;混響時問;清晰度;脈沖響應(yīng)積分法;主觀聽音評價

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.10.008

0前言

音樂廳聲學(xué)的發(fā)展歷程并不算漫長，聲學(xué)先驅(qū)、后繼者們經(jīng)過不懈努力，取得了現(xiàn)在的成就。其中，以美國聲學(xué)家白瑞納克（L.Beranek，1914年～2叭6年）為代表，他的一生見證了音樂廳聲學(xué)的興起和發(fā)展，直到去世前的幾個月還在JASA（Journal of the Acoustical Societyof America）發(fā)表論文。2018年在漢堡易北愛樂音樂廳IOA（Institute ofAcoustics，英國的一家聲學(xué)權(quán)威機(jī)構(gòu)）召集的會議上，聲學(xué)專家交流了音樂廳聲學(xué)的最新研究成果。音樂廳聲學(xué)是在20世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來的，許多現(xiàn)在成果卓著的學(xué)者當(dāng)時才剛剛進(jìn)入這個領(lǐng)域，親歷和見證了音樂廳聲學(xué)幾十年的發(fā)展歷程;英國聲學(xué)家巴?。∕.Barron）對音樂廳聲學(xué)發(fā)展歷程進(jìn)行了回顧和總結(jié)，在聲學(xué)知識有限的當(dāng)年是如何進(jìn)行音樂廳聲學(xué)設(shè)計，以及那些為人熟悉的聲學(xué)理論誕生的前因后果。他們的分享無疑是有特殊意義的。

筆者以音樂廳聲學(xué)理論發(fā)展的歷史背景為線索，分別對20世紀(jì)50年代及以前、60年代和60年代以后這三個不同時期音樂廳聲學(xué)的理論發(fā)展和設(shè)計實踐進(jìn)行簡要說明，并對音樂廳聲學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述。

120世紀(jì)50年代及以前的發(fā)展?fàn)顩r

20世紀(jì)50年代及以前階段為音樂廳聲學(xué)理論發(fā)展的早期，聲學(xué)研究成果相對較少，但足以支持兩個聲學(xué)期刊的正常發(fā)行，一是創(chuàng)刊于1927年的美國聲學(xué)學(xué)會期刊JASA，二是創(chuàng)刊于1951年的Acustica（以英語、法語和德語三種語言發(fā)行）。雖然聲學(xué)研究的活躍度較低，但所解決的問題卻是非常關(guān)鍵的。

1.1早期理論發(fā)展

1.1.1賽賓混響時間

美國聲學(xué)家賽賓（W.C.Sabine，1868年～1919年）關(guān)于混響時間的理論和測量無疑是音樂廳聲學(xué)的開創(chuàng)性研究。他為了解決某個新落成的禮堂音質(zhì)模糊不清的問題，進(jìn)行了廳堂音質(zhì)方面的大量實驗，并最終于1898年找到了混響時間RT與吸聲量A關(guān)系的數(shù)學(xué)公式，即RT與A成反比，與廳堂體積V成正比，由此發(fā)明了混響時間計算公式，稱為賽賓公式。賽賓時任哈佛大學(xué)物理系助教，同年，被邀請擔(dān)任波士頓音樂廳聲學(xué)設(shè)計顧問。

混響時間至今仍是廳堂音質(zhì)設(shè)計的首要指標(biāo)。

1.1.2哈斯效應(yīng)

到了20世紀(jì)50年代，室內(nèi)聲學(xué)研究已具備一些基本技術(shù)條件。例如，能夠記錄聲壓級隨時間變化曲線，有了可供查詢的常用吸聲材料吸聲系數(shù)表以及不同用途廳堂的混響時間標(biāo)準(zhǔn)。同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，僅僅混響時間不足以描述室內(nèi)音質(zhì)好壞。由此開啟了新一輪研究工作。

這個時期的研究主要基于消聲室中一個圍繞聽音者的多揚(yáng)聲器系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要用來模擬現(xiàn)場聽音的反射聲和混響聲。最早的研究是在德國哥廷根大學(xué)開展的，第一個主要成果就是哈斯（H.Haas）于1951年提出的哈斯效應(yīng)，論文發(fā)表于當(dāng)年的Acustica。哈斯的研究主要針對語聲，指出當(dāng)延時較短時（小于50ms），允許延遲聲強(qiáng)于直達(dá)聲，而不會影響直達(dá)聲的聽音。這一發(fā)現(xiàn)對公共語言擴(kuò)聲有重要意義。當(dāng)然，如今也在音樂擴(kuò)聲領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1.1.3Thiele的清晰度計算公式

前面提到，建立上述實驗系統(tǒng)的目的是找到可以衡量廳堂音質(zhì)的除混響時間外的其他聲學(xué)參數(shù)。當(dāng)時的想法是，從廳堂脈沖響應(yīng)出發(fā)進(jìn)行研究，并假設(shè)人耳詮釋聲音的依據(jù)是：①第一個反射聲的延時，即后來白瑞納克提出的ITDG（Initial Time Delay Gap）;②在一定時間間隔內(nèi)反射聲的個數(shù);③來自不同方向反射聲的反射階次;④基于聲音能量的某些參數(shù)。

研究人員首先從最后一項找到了突破點(diǎn)。他們通過比較只有直達(dá)聲和只有反射聲這兩種情況，發(fā)現(xiàn)聲音清晰度從最佳變化到最差。那么，早期反射聲的作用又是什么呢？根據(jù)哈斯效應(yīng)，席勒（R.Thiele）認(rèn)為早期聲能應(yīng)計入直達(dá)聲中，早后期的時間分界應(yīng)為50ms，因此，于1953年提出了清晰度計算公式，定義為早期聲能占總聲能的百分比，即

其中，D為清晰度，p（t）為所在位置的脈沖響應(yīng)聲壓，0ms對應(yīng)直達(dá)聲到達(dá)的時間。

雖然人們已經(jīng)知道清晰度與混響時間有關(guān)，但在一些較大廳堂，由于聲源和聽音者周圍缺乏反射面，盡管混響時間是合適的，聽眾仍然感覺清晰度不夠。Thiele的研究成果解決了這個問題，標(biāo)志著人們開始關(guān)注早期反射聲的作用。

1.2早期音樂廳聲學(xué)設(shè)計

很多人存在疑問，在沒有許多聲學(xué)理論作為依據(jù)的當(dāng)年，如何進(jìn)行觀演場所聲學(xué)設(shè)計？維也納金色大廳建于1870年，卻成為世界上公認(rèn)的音質(zhì)最好的音樂廳之一。事實上，時至今日，音樂廳的聲學(xué)設(shè)計仍然不存在所謂的最佳設(shè)計，或者可以說，人們還很難把一些對音質(zhì)有意義的聲學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換到實際的三維空間。聲學(xué)設(shè)計的不確定性，導(dǎo)致音樂廳設(shè)計往往是建筑和功能設(shè)計占主導(dǎo)的結(jié)果。盡管如此，現(xiàn)今仍存在一些音質(zhì)優(yōu)良的音樂廳。

1914年之前，音樂廳體型基本上都是兩個側(cè)墻平行的鞋盒式，只有極少數(shù)采用劇院的體型，后者典型代表是建于1891年的紐約卡內(nèi)基音樂廳。這個時期音樂廳墻面通常經(jīng)過大量華麗裝飾，從聲學(xué)角度可看成擴(kuò)散處理。

之后，隨著建筑設(shè)計摒棄鞋盒式體型的思潮，音樂廳平面形狀轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨刃尉佣?，這種狀態(tài)一直延續(xù)到20世紀(jì)的70年代。例如，建于1951年的倫敦皇家節(jié)日音樂廳，主體采用鞋盒式平行墻，但由于寬度較大，考慮到前端演奏臺過寬，所以大廳前部采用了扇形。這個廳由于容積不足，存在混響時間偏小的問題。再如，建于1959年的波恩貝多芬音樂廳，也是扇形體型，采用了大量的擴(kuò)散表面設(shè)計，這種設(shè)計思路可能與19世紀(jì)鞋盒式音樂廳的優(yōu)良音質(zhì)與墻面華麗裝飾的擴(kuò)散效果有關(guān)。

220世紀(jì)60年代的發(fā)展?fàn)顩r

2.120世紀(jì)60年代的理論發(fā)展

2.1.1白瑞納克《音樂、聲學(xué)和建筑》的出版

在20世紀(jì)50年代末，白瑞納克的聲學(xué)顧問公司啟動了一項對世界各地音樂廳和歌劇院進(jìn)行聲學(xué)測量的計劃，在此背景下，白瑞納克于1962年出版了題為《音樂、聲學(xué)和建筑》的著作。該書在音樂廳聲學(xué)領(lǐng)域是開創(chuàng)性的，調(diào)查了54個音樂廳和歌劇院，以同一比例給出了廳堂的平面圖以及內(nèi)部聲學(xué)設(shè)計照片，并給出混響時間頻率特性曲線和其他盡可能多的測量數(shù)據(jù)。此外，白瑞納克以演奏家和指揮家為對象進(jìn)行了音樂廳音質(zhì)評價調(diào)查，并與聲學(xué)測量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析。調(diào)查結(jié)果正如預(yù)想的那樣，混響時間并不是影響音質(zhì)的主要參數(shù)，由此白瑞納克提出，初始延時ITDG是影響音質(zhì)的主要參數(shù)，并將ITDG與親切感相關(guān)聯(lián)。關(guān)于ITDG的作用，其實一直存在爭議。

2.1.2施羅德脈沖響應(yīng)積分法和EDT（Ea rly DecayTime）

混響時間作為廳堂音質(zhì)評價的重要參數(shù)，其測量技術(shù)主要基于室內(nèi)聲壓級隨時間衰變曲線的測量。但是，由于實際廳堂不是理想的擴(kuò)散聲場，測得的衰變曲線并不是線性的，而是存在起伏，使得測量的可重復(fù)性變差，影響測量的準(zhǔn)確性。解決這一問題的唯一辦法是多次測量取平均，但比較耗時費(fèi)力。

哥廷根大學(xué)的聲學(xué)家施羅德（M.R.Schroeder）于1965年提出了測量混響時間的脈沖響應(yīng)積分法，并首次加以應(yīng)用。脈沖響應(yīng)積分法等效于多次測量取平均，但只需測量一次即可得到所需的混響時間。其計算公式為

其中，E（t）為聲能衰變函數(shù)，p為房間脈沖響應(yīng)聲壓。這種混響時間測量法比較方便準(zhǔn)確，因此一直沿用至今。

通過多揚(yáng)聲器實驗系統(tǒng)，哥廷根大學(xué)研究人員還發(fā)現(xiàn)，對混響感起主要作用的并不是通常定義的混響時間（根據(jù)-5dB至35dB的斜率計算），更應(yīng)該是前160ms的聲能衰減速率。而用實際廳堂的音樂錄音進(jìn)行聽音實驗后發(fā)現(xiàn)，前15dB的衰減斜率與聽音的混響感高度相關(guān)。這項研究也得益于施羅德的混響時間測量法。最后，V.LJordan在這些研究的基礎(chǔ)上，于1969年提出早期衰變時間EDT或稱為T10，作為廳堂音質(zhì)評價的又一個參數(shù)。EL）7yg義為以聲能從O dB至-10dB的衰減斜率計算的混響時間，主要用于評價聲音的混響感。

2.1.3早期側(cè)向反射聲的重要性和空間感參數(shù)

1967年，新西蘭聲學(xué)家馬歇爾（H.Marshall）首次以發(fā)表論文的形式，指出早期側(cè)向反射聲對改善廳堂聽聞的重要性。促成馬歇爾這一研究發(fā)現(xiàn)的背景是，當(dāng)時廳堂聲學(xué)設(shè)計的體型選擇極度缺乏理論依據(jù)，而較窄的鞋盒式音樂廳以良好音質(zhì)得到廣泛認(rèn)可。因此，馬歇爾關(guān)注到側(cè)向反射聲的作用。馬歇爾將早期側(cè)向反射聲產(chǎn)生的聽感稱為“空間響應(yīng)”，并且指出，聽眾更偏愛在能提供更加豐富的早期側(cè)向反射聲的廳堂聽音。

英國聲學(xué)家巴隆（M.Barron）于1968年在南開普敦開展了針對早期側(cè)向反射聲的主觀聽音實驗，發(fā)現(xiàn)空間感與早期側(cè)向反射聲能量占總聲能的百分比密切相關(guān)，并將早期定義為延遲小于80ms，為最終在1981年提出側(cè)向能量因子奠定了基礎(chǔ)。

在認(rèn)識到早期側(cè)向反射聲對空間感的作用后，研究人員開始關(guān)注雙耳效應(yīng)對聽音的影響，在隨后幾年中，相繼提出了視在聲源寬度ASW（Apparent Source Width）的概念和雙耳互相關(guān)系數(shù)IACC（Inter-aural Cross-correlation），認(rèn)為早期側(cè)向反射聲產(chǎn)生的空間感可以用ASW描述，而IACC越小，空間感越強(qiáng)。

2.220世紀(jì)60年代的音樂廳聲學(xué)設(shè)計

20世紀(jì)60年代的音樂廳體型仍然少有鞋盒式，大多數(shù)是扇形，也有一些其他體型如橢圓形、六角形、山地式等。下面以三個音樂廳為例，從中了解當(dāng)時音樂廳聲學(xué)設(shè)計狀況。

紐約愛樂音樂廳建于1962年。當(dāng)時，白瑞納克所在公司承擔(dān)聲學(xué)顧問之職，并建議采用平行側(cè)墻，但是最終妥協(xié)采用了扇形平面。在首演后，該音樂廳就得到聽音效果不好的評價。關(guān)于聲學(xué)設(shè)計哪方面出了問題，當(dāng)時并沒有人給出明確分析。該音樂廳于1978年進(jìn)行改建，重新采用了原來的矩形平面設(shè)計。

柏林愛樂音樂廳建于1963年。音樂廳聲學(xué)顧問正是德國著名聲學(xué)家克萊默（L.Cremer），而建筑設(shè)計師很不喜歡樂隊位于一端的平面設(shè)計導(dǎo)致演奏者和聽眾之間缺乏互動，希望演奏臺位于聽眾區(qū)中心?？巳R默對環(huán)繞式設(shè)計存在兩點(diǎn)顧慮：一是樂器特別是演唱者的聲音指向性可能使某些區(qū)域聽音效果變差;二是連成一片的聽眾區(qū)可能缺乏早期側(cè)向反射聲。最終，聲學(xué)設(shè)計必須做出妥協(xié)?？巳R默的解決辦法是，將聽眾區(qū)設(shè)計為階梯式，并用側(cè)板進(jìn)行分區(qū)，利用側(cè)板提供一定的早期側(cè)向反射聲。這樣就誕生了世界上第一個山地葡萄園式設(shè)計。這個音樂廳的音質(zhì)獲得了好評，隨后出現(xiàn)了一系列山地式音樂廳。

鹿特丹多倫音樂廳建于1966年。該音樂廳采用六邊形體型，演奏臺和大廳前部又設(shè)計成一個附屬的六邊形，最終形成一個加長的六邊形體型，并且對墻面做了很高程度的擴(kuò)散處理。這些設(shè)計元素綜合起來，使之成為世界上公認(rèn)的音質(zhì)良好的音樂廳之一。

320世紀(jì)60年代后的發(fā)展?fàn)顩r

3.120世紀(jì)60年代后的理論發(fā)展

3.1.1多維度主觀音質(zhì)評價實驗

1971年Hawkes和Douglas發(fā)表了一篇關(guān)于音樂廳音質(zhì)主觀評價的論文，標(biāo)志著音樂廳音質(zhì)主觀評價系統(tǒng)性研究的開始。例如，在音樂廳現(xiàn)場進(jìn)行問卷調(diào)查，問卷給出多個評價術(shù)語，評價術(shù)語的選擇要使大多數(shù)參評者能夠辨別不同術(shù)語的含義，然后收集問卷并對結(jié)果進(jìn)行分析。音質(zhì)主觀評價的主要目的是找到對廳堂音質(zhì)起主要作用的主觀評價術(shù)語和客觀測量參數(shù)。

3.1.2仿真頭技術(shù)在音樂廳聲學(xué)的應(yīng)用

在20世紀(jì)60年代發(fā)展成熟的仿真頭技術(shù)，在音樂廳聲學(xué)研究中得到了應(yīng)用。利用音樂廳現(xiàn)場的仿真頭錄音，可以將不同音樂廳的錄音帶回實驗室，然后用相同的被試進(jìn)行主觀聽音實驗，這樣不僅解決了轉(zhuǎn)場費(fèi)時費(fèi)力的問題，而且解決了聽覺記憶時間有限帶來的困擾。

主觀音質(zhì)評價得到了兩個重要結(jié)論。第一，描述廳堂音質(zhì)的主要評價術(shù)語為清晰度、混響感、包圍感（或空間感）和響度。雖然響度的作用是顯而易見的，但是研究結(jié)果表明，聽音者對響度的敏感度大大超出預(yù)期。第二，在進(jìn)行音質(zhì)總體偏愛度評價時，不同聽音者對不同術(shù)語所設(shè)的權(quán)重不同，如有些聽音者非?？粗仨懚?，而另外一些則認(rèn)為清晰度比較重要。

3.990世紀(jì)年代之后的音樂廳聲學(xué)設(shè)計

在20世紀(jì)70年代，音樂廳聲學(xué)設(shè)計依然是折衷性、選擇性和實驗性的，沒有所謂的最佳設(shè)計，導(dǎo)致聲學(xué)方面依然不占主導(dǎo)，只能采用妥協(xié)的辦法。例如，橢圓形基督城市政音樂廳只能通過大反射板提供早期側(cè)向反射聲;悉尼歌劇院聲學(xué)設(shè)計受制于著名的貝殼式建筑外形，聲學(xué)效果并不理想。到了20世紀(jì)70年代以后，音樂廳聲學(xué)設(shè)計出現(xiàn)回歸鞋盒式的明顯趨勢，同時山地葡萄園式開始受到青睞。

4音樂廳聲學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

音樂廳聲學(xué)在20世紀(jì)60年代得到快速發(fā)展，到了80年代，已經(jīng)產(chǎn)生了一系列客觀評價測量參數(shù)，并能夠通過計算機(jī)建模對設(shè)計進(jìn)行一定程度的檢驗。但將這些客觀參數(shù)付諸廳堂的實際設(shè)計并非易事。

盡管音樂廳聲學(xué)早在20世紀(jì)60年代已經(jīng)完成了基礎(chǔ)性研究，但是，在完美詮釋音樂廳聲學(xué)之前，還有很多需要解決的問題，例如，墻面擴(kuò)散面積所占百分比多少合適、在哪里設(shè)置擴(kuò)散面、客觀測量參數(shù)的最佳值是多少、實際廳堂應(yīng)具有怎樣的聲學(xué)特性、到底哪些重要哪些并不重要。此外，讓所有聽眾區(qū)而不是個別區(qū)域獲得良好聽聞，是一個急待解決的問題，演奏者的聽聞條件也還沒有得到完全解決。

21世紀(jì)以來，國內(nèi)外新建音樂廳仍然以環(huán)繞式、山地式體型為主。人們偏好這類體型的主要原因是其良好的視覺效果，以及演奏者與聽眾的良好互動關(guān)系。事實上，其中一些音樂廳的音質(zhì)并不十分理想，遠(yuǎn)沒有達(dá)到優(yōu)秀的水平，這一點(diǎn)已經(jīng)引起研究人員的關(guān)注，并開始對環(huán)繞式音樂廳的聽覺效果進(jìn)行更加深入的研究，同時指出，作為音樂廳聲學(xué)設(shè)計者，不應(yīng)該僅僅滿足于視覺帶來的聽感附加值，而應(yīng)該最大程度地滿足聽眾的聽覺感受。

現(xiàn)代信息技術(shù)能夠很好地模擬和處理音樂廳聲音信號，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越20世紀(jì)50年代的多揚(yáng)聲器系統(tǒng)。芬蘭奧拓大學(xué)的研究人員正在實驗室用最先進(jìn)的模擬系統(tǒng)進(jìn)行音樂廳聲學(xué)研究，如圖2所示。該系統(tǒng)采用33個不同高度的揚(yáng)聲器進(jìn)行重放（圖中只列出24個），只需輸入特定技術(shù)測量的音樂廳脈沖響應(yīng)，系統(tǒng)便能分析出直達(dá)聲和早期反射聲的大小和方向，饋送給相應(yīng)方向的揚(yáng)聲器，從而在實驗室模擬出整個樂隊演出的現(xiàn)場聽音。此外，主觀聽感差異還可以從計算得到的聲能隨時間、空間和頻率三個維度的變化特性看到，為分析和解決問題提供了更大的可能性。

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，如今的研究手段已非昔日可比，相信經(jīng)過科研人員的不斷努力，能夠解決音樂廳聲學(xué)設(shè)計仍然存在的諸多問題，使音樂廳聲學(xué)設(shè)計更大程度滿足人們的聽覺感受。