1 吸收、反射和擴(kuò)散必須綜合地考慮
自上世紀(jì)末建筑聲學(xué)奠基人賽賓提出混響時(shí)間計(jì)算公式以來(lái)，因其簡(jiǎn)明地表達(dá)了與大廳容積和室內(nèi)總吸聲量的關(guān)系，并與主觀聽(tīng)音評(píng)價(jià)密切相關(guān)，而成為音質(zhì)設(shè)計(jì)中重要參量，一直沿用迄今。此計(jì)算公式是以假定聲場(chǎng)充分?jǐn)U散為前提的，當(dāng)然在實(shí)際工程中達(dá)不到這一條件，也是計(jì)算與實(shí)際間出現(xiàn)誤差的原因之一。
大量實(shí)踐結(jié)果證明，在非理想擴(kuò)散聲場(chǎng)條件下，單以混響時(shí)間這一參量來(lái)評(píng)價(jià)音質(zhì)是不夠的。在探索第二音質(zhì)參量過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)混響衰變過(guò)程中的反射聲(尤其是早期部分)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，即反射聲序列的時(shí)間、強(qiáng)度、數(shù)量乃至方向的組合不同，其音質(zhì)效果也會(huì)有很大出入。這就聯(lián)系到房間形體、室內(nèi)吸聲和反射面的布置、以及聲源和接收點(diǎn)的在室內(nèi)所處位置和它們附近的聲學(xué)條件等，成為設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。
在研究早期反射聲結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)中，有兩個(gè)重大進(jìn)展。一是認(rèn)識(shí)到掌握早期反射聲能與整個(gè)(或后期)反射聲能之比值是制約語(yǔ)言清晰度和音樂(lè)明晰度的重要參量。其二是，在音樂(lè)廳(不是所有各類廳堂)設(shè)計(jì)中，為了獲得富有環(huán)繞感的音質(zhì)氣氛，呈現(xiàn)出大樂(lè)隊(duì)所特有的寬闊聲源場(chǎng)面，更希望這些早期反射聲有相當(dāng)部分來(lái)自側(cè)向。于是大廳形體的重要性在音質(zhì)設(shè)計(jì)中愈加凸顯，推動(dòng)了音質(zhì)設(shè)計(jì)中的多參量化考慮。
上述音質(zhì)設(shè)計(jì)方法的逐步完善是建立在綜合考慮基礎(chǔ)上的，是相互補(bǔ)充的，因此既非對(duì)立，又非替代。早在建筑聲學(xué)初步形成系統(tǒng)科學(xué)的20年代末 Knudsen[7]提出決定廳堂語(yǔ)言清晰度的四個(gè)因子中，就有大廳形狀的因子。雖然對(duì)廳堂形狀的具體要求在當(dāng)時(shí)還不甚清楚。隨著研究不斷深入，普遍認(rèn)識(shí)到擴(kuò)散的重要性，要使反射聲，特別是早期反射聲序列有一定要求時(shí)，也極少有人否定混響時(shí)間，仍是決定室內(nèi)音質(zhì)的重要參量之一。那種把吸收、反射和擴(kuò)散綜合考慮的音質(zhì)評(píng)價(jià)研究不斷深入，以及設(shè)計(jì)方法的逐步完善過(guò)程，機(jī)械地劃分為“**代吸收型、第二、三代反射型、第四代擴(kuò)散型”等幾個(gè)階段的設(shè)計(jì)方法顯然不符合實(shí)際情況，也缺乏科學(xué)的根據(jù)。而且在所謂的當(dāng)前音質(zhì)設(shè)計(jì)新趨勢(shì)“擴(kuò)散型”設(shè)計(jì)方法中，把房間高度的確定提高到設(shè)計(jì)中首要地位來(lái)考慮，更令人莫名。
2 擴(kuò)散處理
以統(tǒng)計(jì)聲學(xué)理論推導(dǎo)混響時(shí)間公式時(shí)需要有擴(kuò)散聲場(chǎng)的條件，理論上“擴(kuò)散場(chǎng)”應(yīng)滿足兩個(gè)條件：能量密度均勻和聲能量流在各個(gè)傳播方向上是無(wú)規(guī)則分布的。當(dāng)一個(gè)短促的聲音(實(shí)際聲源都不是穩(wěn)態(tài)的)在室內(nèi)發(fā)出經(jīng)多次界面反射以后逐漸衰變，并形成為交混回響，又稱混響過(guò)程，在室內(nèi)沒(méi)有大面積強(qiáng)吸聲面的情況下，這時(shí)的聲場(chǎng)接近擴(kuò)散聲場(chǎng)條件。但在混響過(guò)程的初始階段，反射聲數(shù)量有限，其擴(kuò)散過(guò)程遠(yuǎn)不如后期。同時(shí)，在實(shí)際大廳中都有集中在聽(tīng)眾席的大片吸聲面，所以不可能有理論上的“擴(kuò)散聲場(chǎng)”。
為使廳堂具有良好聽(tīng)音條件所需的聲場(chǎng)擴(kuò)散，給聽(tīng)眾沉浸于音樂(lè)包圍之中的感受，對(duì)于聲音的衰變過(guò)程應(yīng)趨于均勻滑順，使音質(zhì)聽(tīng)來(lái)有圓潤(rùn)之感。現(xiàn)在的研究和實(shí)踐表明，要達(dá)到好的音樂(lè)聽(tīng)感，早期反射聲能量和方向具有關(guān)鍵性作用。這一要求顯然不同于理論上的“擴(kuò)散聲場(chǎng)”條件。實(shí)際上在一個(gè)“充分?jǐn)U散”的聲場(chǎng)中，好比在“混響室”中欣賞音樂(lè)，聽(tīng)眾將會(huì)不辨聲源的方向，也不會(huì)有好的音質(zhì)。
如何掌握早期側(cè)向反射聲的分寸，目前還處于半定量階段。在設(shè)計(jì)方法上，主要利用界面，特別是側(cè)墻的特定形狀來(lái)改善，努力使聽(tīng)眾席，尤其是前中座有較豐富的早期側(cè)向反射聲。這對(duì)于橫向尺寸甚大的廳堂，將有更大的難度。而簡(jiǎn)單地認(rèn)為“音樂(lè)廳的高度為18～22 m，劇院的高度為10 m左右時(shí)，才能使聲音有良好的擴(kuò)散”，甚至搬出黃金律來(lái)，這是沒(méi)有依據(jù)的。
該論說(shuō)中還強(qiáng)調(diào)指出：“應(yīng)在室內(nèi)多采用一些硬質(zhì)裝飾材料，如油漆粉刷、瓷磚、大理石和花崗石，可以對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)擴(kuò)散有好處?！逼鋵?shí)在普通教科書中就已指明，擴(kuò)散主要與反射表面的形狀有關(guān)，與表面硬質(zhì)與否無(wú)關(guān)。而且硬質(zhì)表面如瓷磚和大理石，只會(huì)引起由于高頻聲的強(qiáng)反射而使聲音聽(tīng)來(lái)刺耳，猶如光學(xué)上的“眩光”那樣討厭。故大面積使用這種材料乃是音質(zhì)設(shè)計(jì)中的大忌，千萬(wàn)慎用。
3 房間尺度比例與黃金律
房間的尺度和比例與室內(nèi)音質(zhì)是有一定關(guān)系的，但并不像有人對(duì)此提出的一些觀點(diǎn)那樣的關(guān)系[4][5][6]。
大家知道，早在三、四十年代，一些聲學(xué)家根據(jù)房間簡(jiǎn)正振動(dòng)方式分布與室內(nèi)音質(zhì)關(guān)系的研究，就指出大廳尺度比例的重要性。如果長(zhǎng)、寬和高三個(gè)尺度的比例控制在1∶∶左右，或其它不成簡(jiǎn)單整數(shù)比的特定比例時(shí)，其簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率大致上可達(dá)到均勻分布，避免因簡(jiǎn)并而帶來(lái)之“染色”現(xiàn)象。這種考慮對(duì)于容積約1000 m3以下的房間，尤其是沒(méi)有聽(tīng)眾席的錄音室才是重要的。但是如容積再大，即使有簡(jiǎn)并的簡(jiǎn)正頻率出現(xiàn)，也處于對(duì)聽(tīng)覺(jué)很不敏銳的極低頻率范圍，不會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重音質(zhì)缺陷。所以對(duì)容座數(shù)百以上的觀眾廳來(lái)說(shuō)，控制其它設(shè)計(jì)內(nèi)容如容積和形體將比大廳尺度比例更為重要得多。
該論說(shuō)中試圖把黃金律與大廳音質(zhì)相關(guān)聯(lián)，而且提高到具有“深刻性、普遍性和永恒的意義”高度來(lái)介紹也是欠妥的。分析一下引自該論說(shuō)中的幾個(gè)例子，便可說(shuō)明。例如那些按所謂“黃金律”為依據(jù)，推薦出容積與總表面積之比(V／S)的值，可以是1.5～1.6，也可以是3.7～3.8。這樣大的任意性，又和規(guī)律如“金”的嚴(yán)格要求有什么相干呢！再說(shuō)，大廳的尺度比例如按該論說(shuō)中，據(jù)“黃金律”與“擴(kuò)散理論”提出的音樂(lè)廳高度推薦值為18～22 m，這樣算下來(lái)廳的寬度當(dāng)為29～40 m，長(zhǎng)度當(dāng)為48～68 m！顯然不切實(shí)際。 中國(guó)大百科全書建筑卷的《關(guān)于建筑形式美法則》條目［8］中，對(duì)于黃金分割曾有確切的介紹。其中提到前人把比例和諧限制在非常嚴(yán)格的數(shù)字關(guān)系(0.618，即要求**到小數(shù)點(diǎn)三位數(shù))之說(shuō)，不過(guò)是構(gòu)圖學(xué)中研究美學(xué)的一個(gè)學(xué)派，而且這些“傳統(tǒng)的構(gòu)圖原理一般只限于從形式本身探索美的問(wèn)題，顯然有局限性。”正是如此，所以今天的建筑學(xué)教學(xué)和設(shè)計(jì)實(shí)踐中，已少有人再把它作為一個(gè)重要規(guī)律來(lái)遵守了。而如今硬把這個(gè)形式邏輯中的黃金分割經(jīng)驗(yàn)移植到大廳音質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并說(shuō)成是“永恒的規(guī)律”，這同樣會(huì)是沒(méi)有根據(jù)的。
另一個(gè)例子是：該論說(shuō)認(rèn)為“黃金律”(0.618)還體現(xiàn)在混響時(shí)間計(jì)算公式中，并贊之為“充分顯示了科學(xué)美”，“這一特點(diǎn)是值得在室內(nèi)聲學(xué)和空間設(shè)計(jì)所注意的?！逼鋵?shí)這只是把V／S＝3.7代入混響時(shí)間計(jì)算公式后，湊得的結(jié)果。如果把該論說(shuō)中V／S的另一推薦值1.5代入，又將作何解釋呢？
4 混響時(shí)間和EDT
在理想擴(kuò)散聲場(chǎng)中，按統(tǒng)計(jì)聲學(xué)理論，整個(gè)混響過(guò)程是均勻衰變的，即呈線性形式，故其初始階段與后期的衰變率是基本保持一致的。這個(gè)衰變率和由此導(dǎo)出的混響時(shí)間則取決于空間大小和空間吸收等條件。如在擴(kuò)散條件差的聲場(chǎng)中，各表面反射的參與不能達(dá)到無(wú)規(guī)狀態(tài)，于是衰變過(guò)程中有起伏，也會(huì)影響到它的衰變率。
80年代混響理論研究有新的進(jìn)展，揚(yáng)棄了統(tǒng)計(jì)聲學(xué)的前提，只對(duì)一般界面作“擴(kuò)散性反射”的假定下，認(rèn)為到達(dá)界面的入射聲強(qiáng)與上一次反射情況有關(guān)，由此得到的混響時(shí)間與室內(nèi)吸聲材料的分布有關(guān)，還與房間形狀和接收點(diǎn)位置有關(guān)，至少理論上說(shuō)明了混響時(shí)間的不確定性，是與室內(nèi)的反射、吸收和擴(kuò)散相關(guān)聯(lián)的。
實(shí)際廳堂中，初始階段的擴(kuò)散條件總是比后期差的，因?yàn)槟菚r(shí)只有少數(shù)離散的反射聲參與，其衰變率便由這些反射聲所決定，和房間擴(kuò)散條件的關(guān)系較小。經(jīng)常出現(xiàn)的另一種情況是：廳堂中聲場(chǎng)擴(kuò)散條件本身就不太充分，于是在混響后期衰變率逐漸變大，呈現(xiàn)出非線性的衰變過(guò)程。這就給用單值來(lái)表征大廳混響時(shí)間帶來(lái)困難。
聽(tīng)音實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，初始階段(聲源停止后初始衰減10 dB左右)的衰變率對(duì)混響感重要。故近年來(lái)早期衰變時(shí)間EDT也常作為大廳的一個(gè)音質(zhì)性能來(lái)考慮。目前已積累了不少大廳的實(shí)測(cè)資料，為設(shè)計(jì)所需的范圍提供了有用的參考。EDT的大小取決于早期反射聲序列的結(jié)構(gòu)。除了對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，或計(jì)算機(jī)模擬中可對(duì)EDT作出預(yù)計(jì)外，沒(méi)有公式可估算。
雖然混響時(shí)間和EDT本身具有一定的不確定性，在對(duì)音質(zhì)的度量上也存在一定的不確定性，但這只是說(shuō)明在音質(zhì)設(shè)計(jì)中對(duì)此要掌握一定的控制范圍，以及有條件時(shí)采用可變混響的手段，而不是根本否定混響時(shí)間這一參量。何況在音質(zhì)設(shè)計(jì)中，混響時(shí)間還是一個(gè)實(shí)實(shí)在在可進(jìn)行定量估算的參量。
近年有人利用耦合空間方法設(shè)計(jì)出具有不同衰變率的大廳，其初始階段較短以保證良好清晰度，在后期則由于耦合空間的參與而有較長(zhǎng)的混響尾聲。這樣兼顧了清晰與混響，克服了不易調(diào)和的矛盾。根據(jù)這一處理手法在世界各地設(shè)計(jì)建造了好幾個(gè)音樂(lè)廳，都很成功，甚至被譽(yù)為21世紀(jì)的音樂(lè)廳設(shè)計(jì)方向。
5 結(jié)論
總而言之，在音質(zhì)設(shè)計(jì)中要：控制混響時(shí)間在適當(dāng)范圍；消除不利的反射聲；使聲場(chǎng)達(dá)到一定的擴(kuò)散要求；有有利的反射聲，特別是早期側(cè)向反射聲。把這些方面綜合考慮，使廳堂內(nèi)部的形狀與反射、擴(kuò)散、吸聲面的分布等互相協(xié)調(diào)、互相制約。并且與建筑美學(xué)相結(jié)合，也是科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合，根本不是簡(jiǎn)單的所謂“吸收型”、“反射型”、“擴(kuò)散型”所能概括。
參考文獻(xiàn)
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［2］ Kuttruff. Room Acoustics.(1992年第三版)第二版中譯本由中國(guó)建筑工程出版社1982年出版
［3］ M.Barron. Auditorium acoustics and architecture design. 1993
［4］ 曹孝振. 觀眾廳的尺度比例－黃金律與建筑(視覺(jué))、音樂(lè)(聽(tīng)覺(jué))和聲學(xué)關(guān)系初探. 建筑學(xué)報(bào)，1996年12期
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［6］ 曹孝振. 混響時(shí)間的選擇. 電聲技術(shù)，1998年12期
［7］ Knudsen，V.O. The hearing of speech in auditorium. 美國(guó)聲學(xué)學(xué)報(bào)1卷(1929)：56～82
［8］ 中國(guó)大百科全書－建筑、園林、城市規(guī)劃卷(1988年5月出版)條目：關(guān)于建筑形式美法則：254～261
