厅堂建筑声学效果预测的先进工具——音质模型测定

重要表演用厅堂，如音乐厅、甲级剧场或与甲级剧场同级别的厅堂必须进行建筑声学设计。对这些厅堂，采用模型测定预测其音质，可以保证获得最佳的声学效果，防止建成后出现声学问题而带来损失。厅堂音质模型测定是世界上最前沿的厅堂建筑声学研究手段，资料研究显示，有能力进行厅堂音质模型测定的国家有：中国、日本、美国、俄罗斯、德国、法国、加拿大、澳大利亚、比利时、挪威、丹麦、意大利等。国内完成过高级演艺建筑实际工程厅堂音质模型测定的单位有清华大学和北京市建筑设计研究院。

厅堂音质模型测定是建筑声学设计的重要手段，有近100年的应用历史，在我国有40多年的研究历史。模型测定应用了相似性原理，将模型按1:10比例制作，房间所有尺度缩小10倍，测量时声波波长同样缩短10倍，即频率提高10倍，在10倍频率上选择模型内的装修材料的吸声系数与实际装修材料相同，因声速不变，模型内的混响时间、声场均匀度、清晰度、扩散度等等音质指标在三维尺度和时间尺度上均缩短10倍。测量模型的音质参数，将长度和时间还原10倍后可得到了实际厅堂的音质参数。模型测定是现阶段所知唯一能够较好模拟室内声音波动特性的实用方法，其特点是：可以准确模拟室内复杂形状绕射、散射、边缘反射等声学波动现象，可以进行可听化主观评价，可以直接发现一些建筑设计中出现的声学缺陷，可以准确预测混响时间、声场扩散度等音质参数。国内很多重大工程均应用了音质模型测试的方法进行了辅助声学设计，如上海大剧院、北京天桥剧场、福建大剧院、国家大剧院、东莞大剧院、大庆大剧院等，一些普通厅堂由于工程需要，也逐渐开始使用该方法进行音质设计，如中央音乐学院附中音乐厅、深圳少儿剧场等。

从60年代起，清华大学即开始模型测定的研究，完成了近十多个的模型测定项目，具有丰富的模型制作和测量经验，拥有国内最优良的模型测定仪器，能够高水平地承担模型测定任务。工作内容包括， 1:10比例模型制作、模拟吸声材料选择、音质参数测量、数据分析、方案声学效果评价、改进方案测量等。

20世纪60年代，厅堂音质模拟理论、测试技术逐渐发展完善，世界范围内进行了大量研究和实践后，模型测定预测厅堂音质已经基本达到了实用化。目前，声源、麦克风、模拟声学材料已经可以和实物对应，仪器的频带也扩展了，在模拟混响时间、声压级分布、短延时反射声的分布等常用指标上已经达到实用的精度。随着软件技术的发展，使用计算机进行声场的模拟研究成为现实。从数学的观点来看，声音的传播由波动方程，即由Helmholtz 方程所描述。理论上，从声源到接收点的声脉冲响应可以通过求解波动方程来获得。但是，当室内几何结构和界面声学属性非常复杂时，人们根本无法获得精确的方程形式和边界条件，也不能得到有价值的解析解。如果对方程进行完全简化处理，所得到的结果极不精确，不能实用，只利用波动方程通过计算机求解室内声场是不可行的。从实用角度讲，使用几何声学的声线追踪法和镜像虚声源法，通过计算机程序可以获得具有一定参考程度的房间声学参数。但由于简化了声音的波动特性，处理高频声和近次反射声效果较好，模拟声场全部信息尚有很大不足。近年来，使用基于有限元理论的方法模拟声音的高阶波动特性，在低频模拟上获得了一些进展。

 厅堂中短延时反射声的分布，即直达声后数百ms(主要是200ms)以内的反射声强度、数目以及在时间轴上的排列，是决定音质的重要因素。它取决于厅堂的大小、体型以及内部材料的布置。在缩尺模型中，用电火花作为脉冲声源测得的短延时反射声分布，与实际大厅的短延时反射声分布有良好的对应，对在设计阶段确定厅堂的大小、体型等有重要参考意义。这是厅堂音质模型试验的重要用途之一。混响时间是公认的一个可定量的音质参数，通过模型试验可以预测所要兴建厅堂的混响时间。制订本标准的目的在于通过厅堂音质模型试验，预测新设计的厅堂的音质特性，据此调整厅堂容积、形状以及吸声材料布置的数量和位置，以使未来的厅堂符合使用要求。声场不均匀度也是一个重要的音质参数，以自然声为主的厅堂，目前对这个参数还未制定定量标准，而设有扩声系统的厅堂，广播电影电视部制定的GYJ25《厅堂扩声系统特性指标》规定了声场不均匀度的标准，可供模型试验参照执行。

模型试验的测量系统、测量方法和结果的表达与实际厅堂相同，但需要根据厅堂模型的缩尺比s，在混响时间测量和声场不均匀度测量时对测量频率作相应改变。即：模型中，测量频率＝实际厅堂测量频率×1/s。在厅堂音质模型试验中，还可以进行其它音质参数、方向性扩散、主观评价等试验，但上述研究从总体上尚处于研究阶段，需要具有丰富工程和试验经验的单位才能完成。

不同频率的声波，在空气介质中传播，特别是高频声波，它的由空气吸收引起的衰减在不同温、湿度条件下差别很大，并且一般与模型试验的缩尺比s不成线性关系，导致试验结果与实际厅堂有较大误差。国外有人曾在模型试验中用干燥空气，或用吸湿方法降低模型内的湿度，或用氮气将模型中的空气排除等方法试图消除这种影响。但是，采用这些措施的设备都比较庞大，而且模型也不容易密封。模型内声传播介质可以为常温常湿空气，对混响时间测量结果，需采取对空气吸收的影响作相应的修正，且有足够的精度。

对于短延时反射声分布测量，厅堂音质模型的缩尺比s一般采用1/5或1/10，也有采用l/20的，但因受试验设备和频率过高的限制，精度受到一定影响。对混响时间的测量，缩尺比s为1/20时只能对应实际厅堂1000Hz或2000Hz以下的频率。推荐缩尺比s不小于1/10，对混响时间和声场不均匀度的测量可扩展至实际厅堂中的4000Hz。短延时反射声分布测量的精度也较高。

模型的内表面形状，有些起伏尺寸比较小，对声波的反射和扩散没有多大影响，在制作模型时可适当简化。但必须保留等于或大于实际厅堂中声波为2000Hz的波长的起伏，不能省略。因为这些部分会对声场的不均匀度有较大影响。

要使厅堂音质模型的内表面各个部分，包括观众席的吸声系数在所测量的频率范围内与相对应的实际厅堂内表面各部分及观众席的吸声系数完全相符，实际上有很大难度，因此允许有±10％的误差。一般厅堂的观众席的吸收，占厅堂内表面总吸收的很大比重(约1/3至1/2左右)，因此这部分的吸声模拟应尽可能准确。

为了避免在模型中的背景噪声过高导至动态范围达不到要求而影响精度，厅堂音质模型的外壳必须有足够的隔声量。因为模型试验的信号频率比较高，使模型的外壳在高频段有一定的隔声量，并不困难。因此使模型内部的背景噪声级低于测试信号声级45dB以上是容易达到。

舞台空间大小、形状及吸声状况，对观众厅的短延时反射声分布、混响时间及声压级分布有很大影响。在模型试验时，这部分宜包括在内。舞台空间部分的吸声状况也应进行相应的模拟。

 短延时反射声分布测量所用的声源信号为电容器放电时产生的脉冲声，即电火花式脉冲声。放电电压在4000-6000V时，其脉冲宽度约为0.2ms，指向性近似球形，且有足够大的声功率，适于用做模型试验中的脉冲声源信号。声源中心位置规定为一般演出区的中心，高度相当于人口的高度。声场不均匀度测量的声源位置与高度，与混响时间测量相同。

短延时反射声分布测量常用的方法是将接收到的直达声和反射声信号经过放大，以时间为横轴在示波器上显示，即脉冲响应声图谱(回声图)。图谱可采用数字化设备记录，将脉冲信号放大后经模／数转换存于计算机，再输出至绘图仪，描绘出脉冲响应图谱。为保证计算机绘制的图形有足够的精度，模／数转换器的分辨率(字长)宜不小于16bit，采样频率不小于100KHz。

接收用传声器，可以用电容传声器或灵敏度比较高的球形压电晶体传声器。传声器口径不宜过大，防止传声器的圆柱体型在接收位置对声场形成影响。在测量时要求记录模型内空气的温度和相对湿度，是为了修正由于高频声在模型内过量的空气吸收所造成的低于实际厅堂混响时间的偏差。

Tinfor撰稿

于清华大学中央主楼104

2004年10月