廳堂建筑聲學設計的標準及設計方法

一、建筑聲學設計的要點

一般而言，建筑聲學設計的要點主要包括噪聲控制和音質設計兩大部分。

(一)噪聲控制

通常音樂廳、劇場等廳堂都要求很低的室內背景噪聲，因此，這些廳堂的選址很重要，應盡可能遠離戶外的噪聲與振動源。另外，還要進行場地環境噪聲與振動調查、測量與仿真預測，目的是為進行廳堂建筑圍護結構的隔聲設計提供依據。保證廳堂建成后能達到預定的室內噪聲標準。此外，建筑聲學設計的另一個重要任務就是進行室內音質設計。

(二)音質設計

音質設計通常包括下述工作內容：

1.確定廳堂體型及體量。

2.確定音質設計指標及其優選值。根據廳堂的使用功能選擇混響時間、明晰度、強度指數、側向能量因子、雙耳互相關系數等音質評價指標，并確定各指標的優選值，是音質設計的重要任務。

3.對樂池、樂臺、包廂、樓座及廳堂各界面進行聲學設計。

4.計算廳堂音質參量。當廳堂的平、剖面及樓座、包廂、樂池、樂臺等設計方案擬定以后，就可開始計算廳堂音質參量。

5.進行聲學構造設計。廳堂音質除了受前述建筑因素影響之外，還與室內裝修材料與構造密切相關。聲學裝修構造設計通常包括各界面材料的選擇和繪制構造設計圖，需詳細規定材料的面密度、表觀密度、厚度、穿孔率、孔徑、孔距、背后空氣層厚度以及龍骨的間距等技術參數。

6.聲場計算機仿真。對廳堂建筑進行仔細的聲場分析和音質參量計算，有賴于聲場三維計算機仿真。

7.縮尺模型試驗。對于重要的廳堂，除了計算機仿真外，通常還須建立一定縮尺比的廳堂模型，進行縮尺模型聲學試驗。

8.可聽化主觀評價。可聽化技術是通過仿真計算。或者通過模型試驗測量獲得雙耳脈沖響應，將之與在消聲室中錄制的音樂或語言“干信號”卷積，輸出已加入廳堂影響的聲音信號，供受試者預先聆聽建成后的廳堂音質效果。這是近年發展起來的建筑聲學領域一項高新技術。

9.建筑聲學測量。建筑聲學測量包括噪聲與振動測量，圍護構造隔聲測量，重要材料與構造的吸聲量測量以及廳堂音質參量的測量等。

10.對電聲系統設計提供咨詢意見。對于需要安裝電聲系統的廳堂，建筑聲學專家尚需與音響工程師配合，對電聲系統的設備選型、設計與安裝提供咨詢意見。

11.組織主觀評價。對于重要廳堂，在工程落成后，組織專門的演出和主觀評價，來檢驗建成后廳堂的音質效果，是建筑聲學設計最后一個重要環節。

二、聲學設計的手段

準確地預測房間的音質效果一直是建筑聲學研究者追求的理想。廳堂音質模型測定是建筑聲學設計的重要手段。隨著軟件技術的發展，使用計算機進行聲場的模擬研究成為現實。近年來，使用基于有限元理論的方法模擬聲音的高階波動特性，在低頻模擬上獲得了一些進展。

廳堂中短延時反射聲的分布，是決定音質的重要因素。在縮尺模型中，用電火花作為脈沖聲源測得的短延時反射聲分布，與實際大廳的短延時反射聲分布有良好的對應，對在設計階段確定廳堂的大小、體型等有重要參考意義。混響時間是公認的一個可定量的音質參數，通過模型試驗可以預測所要興建廳堂的混響時間。聲場不均勻度也是一個重要的音質參數。

模型試驗的測量系統、測量方法和結果的表達與實際廳堂相同，但需要根據廳堂模型的縮尺比s，在混響時間測量和聲場不均勻度測量時對測量頻率作相應改變。不同頻率的聲波，在空氣介質中傳播，特別是高頻聲波，它的由空氣吸收引起的衰減在不同溫、濕度條件下差別很大，對混響時間測量結果，需采取對空氣吸收的影響作相應的修正，且有足夠的精度。

對于短延時反射聲分布測量，廳堂音質模型的縮尺比s一般采用1/5或1/10，也有采用1/20的，但因受試驗設備和頻率過高的限制，精度受到一定影響。對混響時間的測量，縮尺比s為1/20時只能對應實際廳堂1000Hz或2 000Hz以下的頻率。推薦縮尺比s不小于1/10，對混響時間和聲場不均勻度的測量可擴展至實際廳堂中的4000Hz。短延時反射聲分布測量的精度也較高。

模型的內表面形狀，有些起伏尺寸比較小，對聲波的反射和擴散沒有多大影響，在制作模型時可適當簡化。但必須保留等于或大于實際廳堂中聲波為2000Hz的波長的起伏，不能省略。因為這些部分會對聲場的不均勻度有較大影響。要使廳堂音質模型的內表面各個部分，包括觀眾席的吸聲系數在所測量的頻率范圍內與相對應的實際廳堂內表面各部分及觀眾席的吸聲系數完全相符，實際上有很大難度，因此允許有±10%的誤差。

為了避免在模型中的背景噪聲過高導至動態范圍達不到要求而影響精度，廳堂音質模型的外殼必須有足夠的隔聲量。舞臺空間大小、形狀及吸聲狀況，對觀眾廳的短延時反射聲分布、混響時間及聲壓級分布有很大影響。在模型試驗時，這部分宜包括在內。舞臺空間部分的吸聲狀況也應進行相應的模擬。

短延時反射聲分布測量所用的聲源信號為電容器放電時產生的脈沖聲，適于用做模型試驗中的脈沖聲源信號。聲源中心位置規定為一般演出區的中心，高度相當于人口的高度。聲場不均勻度測量的聲源位置與高度，與混響時間測量相同。短延時反射聲分布測量常用的方法是將接收到的直達聲和反射聲信號經過放大，以時間為橫軸在示波器上顯示，即脈沖響應聲圖譜(回聲圖)。

接收用傳聲器，可以用電容傳聲器或靈敏度比較高的球形壓電晶體傳聲器。傳聲器口徑不宜過大，防止傳聲器的圓柱體型在接收位置對聲場形成影響。在測量時要求記錄模型內空氣的溫度和相對濕度，是為了修正由于高頻聲在模型內過量的空氣吸收所造成的低于實際廳堂混響時間的偏差。