楊小軍

(同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海 200092)

1 引言

廳堂的音質(zhì)效果，在工程設(shè)計中，需要通過一些室內(nèi)音質(zhì)參數(shù)來預(yù)測和控制建成后廳內(nèi)的音質(zhì)效果；完工投入使用后，還需要經(jīng)受使用者的主觀評價。音質(zhì)設(shè)計需要考慮多種指標，如混響時間、清晰度指數(shù)、明晰度指數(shù)、側(cè)向因子等。這些音質(zhì)指標分別與不同的主觀評價有一定的對應(yīng)關(guān)系，如混響時間與廳內(nèi)的“豐滿與干澀”“渾濁與清晰”等主觀評價相關(guān)[1]。所有音質(zhì)評價指標中，混響時間是目前廳堂聲學音質(zhì)評價中最重要的指標之一，同時也是室內(nèi)聲學設(shè)計中排在第一位的設(shè)計參量[2]。經(jīng)典的建筑聲學理論中，廳堂的混響時間的計算公式是在擴散聲場的假設(shè)下推導出來的，混響時間只與室內(nèi)容積、內(nèi)表面積、平均吸聲系數(shù)等因素有關(guān)，而與廳堂內(nèi)部具體的體型、吸聲材料的分布無關(guān)。在工程設(shè)計中會遇到一種情況，同樣數(shù)量的吸聲材料放置在廳內(nèi)的不同位置，根據(jù)經(jīng)典混響時間計算公式得出的混響時間是一樣的，實際上廳內(nèi)的混響時間卻存在一定的差別[3]，這說明吸聲材料的布置位置會影響廳內(nèi)的混響時間。同樣，也存在廳堂的體型影響廳內(nèi)混響時間的情況。因此，有必要研究這些因素對廳內(nèi)混響時間的影響。

本文著重研究廳堂內(nèi)的側(cè)墻體型對廳內(nèi)混響時間的影響。在保證混響時間按照公式計算的結(jié)果保持不變的前提下，通過改變廳堂部分側(cè)墻墻體的體型，觀察廳內(nèi)混響時間的變化情況，研究廳堂體型對廳內(nèi)混響時間的影響。文中主要采用廳堂聲學計算機模擬軟件Odeon，模擬分析廳內(nèi)部分側(cè)墻體型變化時廳內(nèi)混響時間的變化情況。

2 目標音質(zhì)參數(shù)

混響時間的定義為，在擴散聲場中，當聲源停止后，從初始的聲壓級降低60 dB（也就是平均聲能密度衰減到原來的1/106）所需的時間，用符號T60表示。取空氣中聲速C=344 m/s，則可以得到混響時間T60的表達式：

其中，V為房間室內(nèi)容積，單位：m3；S為房間內(nèi)總表面積，單位：㎡；為室內(nèi)平均吸聲系數(shù)；m為空氣的聲強吸收系數(shù)[4]。

從定義上看，混響時間的物理意義在于表征廳堂內(nèi)聲壓級衰變曲線的衰變特性。在實際工程項目中，混響時間包含一組音質(zhì)指標，除T60以外，根據(jù)不同的計算方法，可分為EDT、T20與T30。其中，EDT為從直達聲開始衰減10 dB所需的時間再乘以6，T20為從直達聲后衰減5 dB至衰減25 dB所需的時間再乘以3，T30為從直達聲后衰減5 dB至衰減35 dB所需的時間再乘以2。這些音質(zhì)參數(shù)均在表述聲壓級衰變曲線的衰變特性。

圖1 用于模擬分析的廳堂模型

在實際工程，尤其是現(xiàn)場測試中，想要獲得能滿足T60測試的信噪比通常較為困難，采用T30可以較為接近T60。大量研究表明，衰變過程中開始下降的前10 dB的衰變率與混響的主觀感受最密切[1]。因此，實際工程中主要選用EDT與T30作為混響時間的評價量。本文分析中選取的音質(zhì)參數(shù)為EDT與T30，模擬廳堂不同側(cè)墻體型對廳內(nèi)混響時間的影響。

3 體型調(diào)整及模擬設(shè)置

本次模擬采用的模型較為簡單，其平面為矩形布局，模型中設(shè)置起坡的坐席區(qū)。同時，為了能較為明顯地觀測到音質(zhì)參數(shù)的變化情況，模型選用的尺寸較大，具體為長50 m、寬30 m、高20 m。將側(cè)墻中后部的部分設(shè)置為可調(diào)整區(qū)域，可調(diào)整側(cè)墻區(qū)域的選擇主要考慮在實際項目設(shè)計中具有一定的可實施性。本文用于模擬分析的廳堂模型見圖1，圖中紅色墻體為側(cè)墻面的可調(diào)整部分。

將模型中側(cè)墻可調(diào)整部分的墻體分成三塊相同大小的調(diào)整塊，每個調(diào)整塊的調(diào)整動作可分別按照以豎直中心軸的旋轉(zhuǎn)或以水平中心軸的翻轉(zhuǎn)。可調(diào)整側(cè)墻在某種調(diào)整動作后，得到廳堂不同的模型。可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)或者翻轉(zhuǎn)的過程中，廳堂的室內(nèi)容積始終保持不變，室內(nèi)總表面積會略微增加，增加部分為硬反射材質(zhì)，吸聲系數(shù)很小。因此，在調(diào)整過程中，依據(jù)混響時間計算公式得出的廳內(nèi)的混響時間將保持不變。側(cè)墻體型調(diào)整時，考慮到室內(nèi)裝飾設(shè)計中可接受的范圍，旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)的角度均包含5°、10°、15°、20°及25°。圖2與圖3所示為可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時廳堂模型的狀態(tài)，各顯示三個角度調(diào)整后的狀態(tài)。

圖2 可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時的模型

圖3 可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時的模型

圖4 聲源布置

表1 廳堂模型各內(nèi)壁面的吸聲系數(shù)

表2 聲源S1發(fā)聲，不同狀態(tài)下T30模擬結(jié)果的網(wǎng)格平均值（單位：s）

模擬分析中，選擇全指向性點聲源，設(shè)置兩處聲源S1與S2，分別置于廳內(nèi)前區(qū)中軸線與廳內(nèi)一側(cè)，聲源高于地面1.5 m，聲源布置見圖4。

同時，在整個坐席區(qū)域的正上方且高出坐席區(qū)域地面1.2 m的區(qū)域設(shè)置聲學模擬網(wǎng)格面，聲學模擬網(wǎng)格面的精度選擇為1 m×1 m。廳堂模型各內(nèi)壁面的吸聲系數(shù)見表1。

4 模擬結(jié)果及分析

對可調(diào)整側(cè)墻不同狀態(tài)的廳堂模型進行計算機模擬，聲源S1與聲源S2分別發(fā)聲的條件下，T30模擬結(jié)果的平均值見表2和表3。

表3 聲源S2發(fā)聲，不同狀態(tài)下T30模擬結(jié)果的網(wǎng)格平均值（單位：s）

圖5 聲源S1，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時T30均值

圖6 聲源S1，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時T30均值

根據(jù)表2中T30模擬的數(shù)據(jù)，聲源S1發(fā)聲的條件下，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時廳內(nèi)T30均值的變化情況見圖5和圖6。

根據(jù)表3中T30模擬的數(shù)據(jù)，聲源S2發(fā)聲的條件下，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時廳內(nèi)T30均值的變化情況見圖7和圖8。

從圖5與圖7可以看出，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)時，在聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，T30各頻段均值沒有明顯的變化趨勢。從圖6與圖8可以看出，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)時，在聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，T30各頻段均值基本上隨著翻轉(zhuǎn)角度的逐漸增加而逐漸減小。

聲源S1與聲源S2分別發(fā)聲的條件下，EDT模擬均值見表4和表5。

根據(jù)表4中EDT的模擬結(jié)果，聲源S1發(fā)聲的條件下，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時廳內(nèi)EDT均值的變化情況見圖9和圖10。

根據(jù)表5中EDT的模擬結(jié)果，聲源S2發(fā)聲的條件下，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)時廳內(nèi)EDT均值的變化情況見圖11和圖12。

從圖9與圖11可看出，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)時，聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，EDT各頻段均值沒有明顯的變化趨勢。從圖10與圖12可看出，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)時，聲源S1與S2分別發(fā)聲的條件下，EDT各頻段均值基本上隨翻轉(zhuǎn)角度的逐漸增加而逐漸減小。

圖7 聲源S2，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時T30均值

圖8 聲源S2，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時T30均值

表4 聲源S1，不同狀態(tài)下EDT模擬結(jié)果的網(wǎng)格平均值（單位：s）

表5 聲源S2，不同狀態(tài)下EDT模擬結(jié)果的網(wǎng)格平均值（單位：s）

圖9 聲源S1，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時EDT均值

圖10 聲源S1，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時EDT均值

圖11 聲源S2，可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)不同角度時EDT均值

圖12 聲源S2，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)不同角度時EDT均值

根據(jù)以上不同聲源發(fā)聲以及可調(diào)側(cè)墻不同狀態(tài)下T30與EDT的模擬數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論。

（1）無論可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)還是翻轉(zhuǎn)，廳內(nèi)的T30與EDT均會發(fā)生一定的變化，表明側(cè)墻體型的變化會引起廳內(nèi)T30與EDT的變化。

（2）當可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)時，T30與EDT均出現(xiàn)一定的變化，且兩者均沒有明顯的隨可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)角度而變化的趨勢。

（3）當可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)時，T30與EDT均出現(xiàn)明顯的變化，且基本各頻段均值隨翻轉(zhuǎn)角度增加而減小。

5 總結(jié)和思考

本文在可調(diào)整側(cè)墻旋轉(zhuǎn)與翻轉(zhuǎn)不同角度的條件下，對廳內(nèi)的T30與EDT進行計算機模擬，得到不同側(cè)墻體型下廳內(nèi)混響時間的變化情況。結(jié)果表明，廳堂側(cè)墻體型的變化明顯地影響廳內(nèi)混響時間。同時，可調(diào)整側(cè)墻翻轉(zhuǎn)變化時廳內(nèi)混響時間出現(xiàn)一致性的變化規(guī)律，這對廳堂室內(nèi)聲學設(shè)計具有一定的指導意義。

經(jīng)典理論中，混響時間的計算公式涉及的吸聲系數(shù)是在混響室的擴散聲場中測試得到的，而實際廳堂中的聲場不是擴散聲場。本文在一定程度上闡明，混響室中獲得的吸聲系數(shù)直接用于實際廳堂混響時間的估算會存在一定偏差。本文只涉及計算機模擬的相關(guān)工作，希望后續(xù)將實際測試加入到研究中，得到更多定性甚至定量的規(guī)律，從而更好地指導廳堂室內(nèi)聲學設(shè)計。

對影響廳堂混響時間因素的探討還會涉及到吸聲構(gòu)造在實際廳堂中“吸聲效率”的問題，即在廳堂中吸聲構(gòu)造的吸聲系數(shù)會與在混響室中的測試結(jié)果相差多少，或者吸聲構(gòu)造設(shè)置位置對吸聲系數(shù)的影響，或者更加廣泛的廳堂體型對吸聲構(gòu)造吸聲系數(shù)的影響，這些都是后續(xù)值得研究的課題。